恒星精选教学课件

1、恒星北京天文馆 张长喜恒星的一般性质恒星的概念，人们用肉眼不用望远镜观看天上的星星，除了太阳系内的五颗大行星、流星和彗星外都是恒星。与行星不同它们的位置看来固定不变，因而古人称之为“恒”星，即固定不动的星。一般来说，恒星都是气体球，没有固态表面，通过自身引力聚集而成。它区别于行星的一个重要性质是它自己能够强烈发光。太阳是一颗恒星。恒星的距离和光度天文学上的距离单位，天文单位，即日地平均距离，为1AU=149597870千米光年，光在一年中走过的距离，1l.y.=0.9460531016米秒差距，周年视差为1对应的距离，1pc=3.085681016米除太阳外，距离我们最近的恒星叫比邻星，（半人

2、马座）距离为4.27l.y.恒星的距离和光度恒星的光度、照度和星等光度：恒星内部产生的能量，不断向表层转移，最终从恒星表面逸出，射向太空。光度为恒星的能量发射率，即整个星面每秒释放的能量。表示恒星的发光或辐射本领。照度：对于接受天体辐射的人眼或仪器来说，单位时间入射到其单位面积的能量。表示某处感应器感应到的恒星的能量。亮度：我们看起来恒星的明亮程度。实际上就是照度。恒星的距离和光度星等(视星等）：公元前2世纪，希腊天文学家喜帕恰斯（Hipparchus）把肉眼看见的恒星分为六个等级，最亮的为一等星，最暗的为六等星。1850年普森（pogson）把星等跟光度计测出的亮度作比较，发现星等相差5等，

3、亮度之比约为100，因此有公式 m1m2=Klg(E2E1) 太阳：26.75，夜空最亮恒星天狼星：1.44，金星最亮时：4.4，满月：12.74。 星等系统：目视星等、照相星等、光电星等恒星的大小和质量恒星大小的测量方法：干涉法，月掩星法，对食双星法观测结果；恒星的直径相差很大，大的有太阳直径的几百倍甚至一两千倍，小的只有不到太阳直径的十分之一。如猎户座（参宿四）直径为太阳的900倍，恒星的质量，它是恒星最重要的一个物理量，是恒星内部性质和如何演化的决定因素。恒星的质量比较难以测定。恒星的质量大体介于0.08至50或80个太阳质量。太阳质量为1.9891030千克。若恒星质量太大，则不稳定，

4、容易发生爆炸和分裂；若质量太小，则不能产生核聚变反应，星体不能发光，则不成其为恒星了。恒星的光谱什么是光谱？什么是恒星光谱？恒星光谱的分类。O型：蓝星，有效温度4000030000K。 B型：蓝白星，有效温度3000010000K A型：白星，有效温度100007500K F型：黄白星，有效温度75006000K G型：黄星，有效温度60005000K K型：红橙星，有效温度50003500K M型：红星，有效温度35002500KOh，Be a fine girl kiss me.恒星的光谱 20世纪初，天文学家曾经认为，恒星的光谱型序列反映了恒星演化的顺序，即从O型星逐渐冷却演变到M型星。

5、因此O和B型星称为早型星，k和M型星称为晚型星。后来知道这是不对的。 恒星连续辐射随波长的分布，近似于温度等于恒星有效温度的黑体辐射能量的分布，因而恒星的连续光谱也随光谱型而变化。 天狼星和织女星，白色，A型星， 室女（角宿一），蓝色，O型星， 太阳，黄色，G型星， 猎户（参宿四）和天蝎（心宿二），红色，M型星恒星的光谱 恒星的光谱分析在天体物理学中占有重要地位，它可以定性或定量的测定恒星的化学成分，直接或间接的确定恒星的表面温度、光度、直径、质量、磁场。研究恒星的视向运动和自转。恒星的化学成分 恒星的化学成分是通过恒星的光谱分析方法得到的。 太阳的化学成分：已证认出存在的元素69种，这些元素

6、的含量相差悬殊。按质量而言，氢78.4%、氦19.8% 、氧0.8% 、碳0.3% 、氮0.2% 、氖0.2% 、镍0.2% 、硅0.06% 、硫0.04% 、铁0.04% 、镁0.015% 、钙0.009% 大多数恒星的化学成分同太阳差不多。少数恒星的化学成分是特殊的。例如：在碳型星中，碳元素特别多。在S型星中，锆和锝元素特别多。赫罗图和恒星的结构 什么是赫罗图？丹麦科学家赫茨普龙(E.Hertzsprung)于1911年，美国天文学家罗素（H.N.Russell）于1913年，分别独立的绘制了恒星的光谱光度图。 恒星的结构，恒星的光球以内称为恒星内部，光球以外称为恒星大气。 恒星的核反应，

7、聚变反应。恒星的自转 多普勒原理自转是星球的一种普遍现象，地球、月球、太阳和太阳系的各大行星都在自转，恒星也是如此。变星变星：凡光学波段亮度有变化的恒星，不管是由于内在的物理原因还是外在的几何原因，都称为变星。分类：内因变星（物理变星）和外因变星（几何变星或光学变星）变星内因变星： 脉动变星，星体程度不同地发生有节奏的大规模运动，如径向脉动，星体交替的膨胀和收缩，引起光度、半径和温度的变化。它是恒星演化到某些短暂的不稳定阶段的产物。 极早期演化阶段的变星，如金牛T型星。 耀星，亮度增加率在每分钟0.3星等以上的变星。 新星，亮度在很短的时间内（几小时至几天）突然剧增，然后缓慢减弱，增亮幅度多在

8、914等之间。实际上它不是新诞生的星，它是已演化到老年阶段的星。只不过以前是一颗很微弱的星。变星 超新星，超新星的爆发规模比新星还要大，它发亮时亮度的增幅为新星的数百至数千倍，抛出的气壳速度可超过10000km/s。是所有变星中最壮观的一类，是恒星的灾变性爆发。辐射能估计为10421043J,抛出的物质质量达110m,动能达10431044J。 宋史记载，1054年7月4日在金牛座附近出现了一颗超新星，有23天在白天能见到，像金星那样亮，最亮时目视星等约为5等，到1056年4月6日消失，故能用肉眼看到的时间达21个月。蟹状星云距离2000pc，74.8，4pc3pc。变星超新星1987A于19

9、87年2月23日夜晚，在智利拉斯坎帕斯天文台被谢尔顿观测到，它是383年以来最明亮的、肉眼唯一可见的超新星；是除太阳之外人类唯一探测到中微子的天体源。铁核，T109K，密度 1011kg/m3。裂变，吸能，塌缩，耗能，塌缩加速，温度密度增加，生成中子，中微子动能辐射能，带走能量，能量来自引力势能。不同的恒星系统 双星，为包含两颗恒星的系统，在相互引力的影响下，两颗恒星绕着它们共同的引力中心描绘出闭合的轨道。较亮的子星为主星，较暗的子星为伴星。根据观测方法又可分为目视双星、分光双星和食双星。利用双星的轨道运动参数和开普勒定律可以测定恒星的质量。典型的双星，英仙（大陵五），天琴，大熊W。 开普勒定

10、律，恒星质量，恒星形状和大小，恒星演化，变星爆发 不同的恒星系统 聚星，三颗到六、七颗恒星在相互引力作用下聚集在一起而组成的系统称为聚星。三颗星组成的系统较三合星，四颗星在一起的叫四合星，以此类推。在银河系中，双星和聚星是很多的。在太阳附近的几十光年内，约60%70%的恒星是双星或聚星的成员。恒星的不同系统 星团，是恒星的集团，其成员星的密度显著的高于周围空间星的密度，并且通过彼此之间的引力作用而聚集在一起。疏散星团，它的形态不规则，包含十几至二三千颗恒星，成员星分布得较松散。直径110pc，大多在银道面附近。如金牛座中的卯星团（约120颗星组成，直径4pc，距离125pc）和英仙双星团（NG

11、C884右和NGC869左）。星协。恒星的不同系统球状星团，呈球形或扁球形，与疏散星团相比，它们是紧密的恒星集团。包含104107颗恒星,直径5107pc，成员星的质量比太阳略小。如半人马座,为全天最亮，整个星团累积的目视星等3.54m。北半天球最亮的武仙座中的M13（NGC6205），累计目视星等为5.80m。星系，星系团，超星系团。武仙座m13半人马座，NGC5139星云和星际物质星云一般位于银河系内，由气体和尘埃组成。按照形状、大小和物理性质，银河系内星云分为行星状星云、发射星云、反射星云和暗星云。发射星云和反射星云一起成为亮星云。亮星云和暗星云又统称为弥漫星云。弥漫星云可能是恒星的产床

12、，而行星状星云则多是恒星的坟墓。行星状星云，呈圆形或扁圆形，与大行星很相像。一般在其中央可以观测到一颗高温恒星，称为中央星或核心星。有的中央星太暗弱或星云物质太稠密不容易被观测到。线直径为0.1几光年，质量0.011m。一般在缓慢膨胀。NGC7293，M57。发射星云，光谱中在很弱的连续背景上有许多发射线，包含气体和尘埃，元素氢氦氮碳氧氖硫氯铁等。猎户座星云M42。反射星云，有吸收线。暗星云，人马座的三叶星云，猎户座的马头星云NGC7293m57星云和星际物质星际物质，又称星际介质，星际空间中存在的各种物质，包括星际原子、星际分子、星际尘埃和宇宙线。星际原子，氢碳氮氧镁硅硫磷氯氩锰，钙钠钾铁钛

13、等。星际分子，H2、NH3、H2O、CO、H2CO等。星际尘埃，硅酸盐、金属颗粒、石墨和水冰等。星际尘埃可引起消光和红化。宇宙线，质子、粒子、电子和其他一些原子核。恒星的形成和演化 恒星的形成，超过一定质量的星云，在受到外部的某种扰动，比如超新星爆发产生的激波，会产生不稳定性，从而引起收缩。收缩过程的星云可能会分裂成一些碎块，因此我们看到的恒星大多是成群和成团出现的。分裂后的星云碎块会继续收缩，星云的引力势能转变成星云的热能，使星云的温度升高，同时星云的密度增加。这个阶段的最后形成一个近似处于流体静力学平衡的低密度的冷星体，称为原恒星。恒星的形成和演化从大的星云收缩、经过分裂到原恒星形成的整个

14、过程，不同的对象会经过不同的时间，但一般不超过106年。原恒星看上去是一个暗的星体，它会继续缓慢收缩，体积逐渐变小，温度继续升高。这一过程是一个漫长的过程，最终它的核心温度达到可以使得氢原子的核聚变反应得以进行时，原恒星就转变成了主序星。从原恒星演化到主序星，不同质量的原恒星需要不同的时间，比如15个太阳质量的原恒星需要105年，而一个太阳质量的原恒星需要107年。原恒星的喷流恒星的形成和演化星云收缩碎裂、再收缩形成原恒星，原恒星继续收缩到其核心开始核聚变时，恒星便开始了其一生中驻留时间最长的稳定阶段主序星阶段。这一阶段大约占恒星寿命的80%，这是我们夜晚观测的各类恒星中主序星占大多数的原因。

15、星云收缩可以形成各种不同质量的恒星，不同质量的恒星则具有不同的结构和物理性质。比如对于具有一个太阳质量的恒星由中心到表面分别是核反应区、辐射区和对流区；而对于5个太阳质量的恒星由中心到表面分别是核反应区、对流区和辐射区。这两种恒星核反应的过程也是不同的。前者是质子质子反应链，后者是碳氮循环反应。恒星的形成和演化当恒星走到主序星阶段的尾声时，核心区的氢元素逐渐耗尽，氢核聚变反应开始在核心区周围的壳层中进行。此时整个星体体积增大，恒星表面温度降低，逐渐变成一颗红黄色的恒星。在恒星中心物质收缩，温度升高，当温度达到108k时，中心的氦原子开始进行核聚变。若恒星的质量足够大，当核心的氦原子耗尽时，碳原

16、子便开始进行核聚变。外层有氢和氦两个壳层核反应区，像洋葱头的结构。恒星还可以进行更高元素的核反应直到形成铁族元素为止。此时恒星呈红色，为红巨星。若恒星质量不足0.5个太阳质量，则不会进行氦及其以后的核反应。恒星的形成和演化恒星在红巨星阶段演化时，它会抛出许多物质。这样在小质量的红巨星走到它的生命终点时，经过一系列剧烈的变化，内部是电子简并的致密物质白矮星，周围是行星状星云。而大质量的红巨星演化到末期时则会产生超新星爆发，形成中子星。更大质量的红巨星，还会形成黑洞。这样恒星也就走完了其光芒四色的一生。变成在可见光波段默默无闻的白矮星、中子星或者黑洞。 恒星的归宿-白矮星、中子星和黑洞白矮星，质量

17、和太阳类似的恒星，在进入红巨星阶段后，随着内部燃料的减少，在引力作用下，内核会逐渐收缩，成为白矮星，而外壳在强烈的辐射作用下会继续向外膨胀，成为行星状星云，此时整个恒星也就寿终正寝了。 白矮星的体积只有地球这么大，不过它的质量却和太阳差不多，因此它的密度大的惊人，一勺白矮星上的物质就有十吨重！不过它已经可以说是死亡的恒星了。恒星的归宿-白矮星、中子星和黑洞光度低，表面温度较高，呈白色。质量0.21.1m，质量极限1.44m，温度550040000K。天狼星的伴星，8.68m,有效温度24790K。质量1.034太阳质量，0.0084太阳半径，体积为地球的四分之三。恒星的归宿-白矮星、中子星和黑

18、洞中子星，中子星的前身是比太阳大得多的恒星。在晚年成为红巨星之后，燃料即将耗尽，在强大的引力作用下，内核剧烈收缩，产生爆炸，同时释放出巨额能量，其亮度能达到原来的一亿倍，这就是超新星。超新星爆发后，在原来恒星的核心区域，留下的残骸就是中子星，外面是星云状的超新星遗迹。中子星的体积比白矮星还要小的多，直径只有几十公里，而质量却比两个太阳还大。因此它的密度就更惊人了，一勺中子星上的物质就有十亿吨！和白矮星类似，中子星也可以说是已经死亡了的恒星。恒星的归宿-白矮星、中子星和黑洞我们熟悉的蟹状星云就是这样的超新星遗迹。中子星的体积这样小，用望远镜是很难看到的。然而中子星有个奇怪的性质，它能够非常规律地，周期性向外发出射电脉冲辐射。我们最早发现中子星就是在射电波段接受到了这样的脉冲信号，当时人们还以为是外星人给我们发的电报呢！后来人们把它叫做脉冲星。质量极限23m，半径1020km。表面密度109kg/m3，中心1018kg/m3。恒星的归宿-白矮星、中子星和黑洞脉冲星的发现，20世纪30年代，中子星理论。1967年7月，英国剑桥大学卡文迪许实验室，穆拉德射电天文台的休伊什和贝尔。8月6日贝尔，1968年2月24日的自然杂志，0.0331s，后来证认为中子星。1974年休伊什获诺贝尔物理学奖。恒星的归宿-白矮星、中子星和黑洞黑洞，质量再大一点的恒星，在经过超新星爆发后，