宇宙結(jié)構(gòu)與恒星演化稿

1、1宇宙結(jié)構(gòu)和恒星演化 2一、宇宙的結(jié)構(gòu)一、宇宙的結(jié)構(gòu)太陽(yáng)系銀河系和河外星系宇宙地球和月球3n問題一：在地面上我們是如何知道大地是球狀的？月食時(shí)地球投到月亮上的影子是圓形的船只沒入海時(shí)，漸漸沒入地平線，最后完全消失在地球弧線下方北方中午時(shí)分的太陽(yáng)在天空的位置較低4n問題二：我們?cè)鯓又赖厍蛟谛D(zhuǎn)？恒星的周日視運(yùn)動(dòng)5問題三：月球?yàn)槭裁纯偸且酝粋€(gè)面對(duì)著地球？問題四：月球背對(duì)地球的那一面為什么比面向地球那一面更加粗糙不平？問題五：月球的存在對(duì)地球有什么影響？6月球成因的猜想：7n太陽(yáng)和太陽(yáng)系問題一：太陽(yáng)的能量從何而來(lái)？問題二：太陽(yáng)系有著怎樣的結(jié)構(gòu)？8n銀河系和河外星系9橢圓星系棒旋星系旋渦星系10n

2、宇宙天文學(xué)家把所有的空間及其中的萬(wàn)物定義為宇宙。目前人類最遠(yuǎn)能看到150億光年以外的天體，這是目前人類所能觀測(cè)到的最大宇宙范圍。 在大尺度上（億光年以上的結(jié)構(gòu)）看，宇宙物質(zhì)的分布是均勻的。宇宙的起源11n我們觀察到的宇宙究竟是怎樣一幅圖景？一張迄今為止最為精細(xì)的宇宙“嬰兒期”照片，對(duì)137億年前的宇宙作出了富含大量細(xì)節(jié)的圖像描述。照片來(lái)自于太空中的“威爾金森微波各向異性探測(cè)器” 12二、恒星的演化過程二、恒星的演化過程n恒星：像太陽(yáng)一樣，所有的恒星都是熾熱的巨大的發(fā)光氣像太陽(yáng)一樣，所有的恒星都是熾熱的巨大的發(fā)光氣體球。體球。恒星大多由氫構(gòu)成，由核聚變產(chǎn)生能量。太陽(yáng)只是恒星大多由氫構(gòu)成，由核聚變

3、產(chǎn)生能量。太陽(yáng)只是一顆中等亮度的恒星。一顆中等亮度的恒星。 n恒星的分類天文學(xué)家根據(jù)恒星的物理特征來(lái)分類，用來(lái)分類的天文學(xué)家根據(jù)恒星的物理特征來(lái)分類，用來(lái)分類的主要特征是：恒星的體積、溫度和亮度主要特征是：恒星的體積、溫度和亮度恒星按體積又大到小可分為：超巨型、巨星、中型恒星按體積又大到小可分為：超巨型、巨星、中型星（太陽(yáng)）、白矮星、中子星。星（太陽(yáng)）、白矮星、中子星。13中行星(太陽(yáng))白矮星中子星巨星超巨星14n恒星顏色、溫度和亮度的一些關(guān)系(P80)15n恒星離我們的距離如何測(cè)定？16我們?cè)鯓又篮阈堑慕M成物質(zhì)？光譜分析光譜分析氫鈣鈉氦17星云 原恒星（幼年） 主序星（青壯年）紅巨星或超紅

4、巨星（中老年）白矮星白矮星（小質(zhì)（小質(zhì)量恒星量恒星)中子星或黑中子星或黑洞（大質(zhì)量洞（大質(zhì)量恒星）恒星）18恒星的壽命取決于它的質(zhì)量恒星的壽命取決于它的質(zhì)量19恒星的誕生 在星際空間普遍存在著極其稀薄的物質(zhì)，主要由氣體和塵埃構(gòu)成。它們的溫度約10100K，密度約10-2410-23g/cm3，相當(dāng)于1cm3中有110個(gè)氫原子。星際物質(zhì)在空間的分布并不是均勻的，通常是成塊地出現(xiàn)，形成彌漫的星云。星云里3/4質(zhì)量的物質(zhì)是氫，處于電中性或電離態(tài)，其余約1/4是氦以及極少數(shù)比氦更重的元素。在星云的某些區(qū)域還存在氣態(tài)化合物分子，如氫分子、一氧化碳分子等。如果星云里包含的物質(zhì)足夠多，那么它在動(dòng)力學(xué)上就是不

5、穩(wěn)定的。在外界擾動(dòng)的影響下，星云會(huì)向內(nèi)收縮并分裂成較小的團(tuán)塊，經(jīng)過多次的分裂和收縮，逐漸在團(tuán)塊中心形成了致密的核。當(dāng)核區(qū)的溫度升高到氫核聚變反應(yīng)可以進(jìn)行時(shí)，一顆新恒星就誕生了。20Eagle星云恒星正在這里形成21恒星的演化：主序星主序星紅巨星與超紅巨星紅巨星與超紅巨星主序星（恒星的青壯年）主序星（恒星的青壯年） 恒星以內(nèi)部氫核聚變?yōu)橹饕茉吹陌l(fā)展階段就是恒星的主序階段。 處于主序階段的恒星稱為主序星。主序階段是恒星的青壯年期，恒星在這一階段停留的時(shí)間占整個(gè)壽命的90%以上。這是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段，向外膨脹和向內(nèi)收縮的兩種力大致平衡，恒星基本上不收縮也不膨脹。恒星停留在主序階段的時(shí)間隨著質(zhì)量的

6、不同而相差很多。質(zhì)量越大，光度越大，能量消耗也越快，停留在主序階段的時(shí)間就越短。例如：質(zhì)量等于太陽(yáng)質(zhì)量的15倍、5倍、1倍、0.2倍的恒星，處于主序階段的時(shí)間分別為一千萬(wàn)年、七千萬(wàn)年、一百億年和一萬(wàn)億年。 目前的太陽(yáng)也是一顆主序星。太陽(yáng)現(xiàn)在的年齡為46億多年，它的主序階段已過去了約一半的時(shí)間，還要50億年才會(huì)轉(zhuǎn)到另一個(gè)演化階段。與其他恒星相比，太陽(yáng)的質(zhì)量、溫度和光度都大概居中，是一顆相當(dāng)?shù)湫偷闹餍蛐?。主序星的很多性質(zhì)可以從研究太陽(yáng)得出，恒星研究的某些結(jié)果也可以用來(lái)了解太陽(yáng)的某些性質(zhì)。22紅巨星與超紅巨星（恒星的中老年）紅巨星與超紅巨星（恒星的中老年） 當(dāng)恒星中心區(qū)的氫消耗殆盡形成由氦構(gòu)成的核球

7、之后，氫聚變的熱核反應(yīng)就無(wú)法在中心區(qū)繼續(xù)。這時(shí)引力重壓沒有輻射壓來(lái)平衡，星體中心區(qū)就要被壓縮，溫度會(huì)急劇上升。中心氦核球溫度升高后使緊貼它的那一層氫氦混合氣體受熱達(dá)到引發(fā)氫聚變的溫度，熱核反應(yīng)重新開始。如此氦球逐漸增大，氫燃燒層也跟著向外擴(kuò)展，使星體外層物質(zhì)受熱膨脹起來(lái)向紅巨星或紅超巨星轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化期間，氫燃燒層產(chǎn)生的能量可能比主序星時(shí)期還要多，但星體表面溫度不僅不升高反而會(huì)下降。其原因在于：外層膨脹后受到的內(nèi)聚引力減小，即使溫度降低，其膨脹壓力仍然可抗衡或超過引力，此時(shí)星體半徑和表面積增大的程度超過產(chǎn)能率的增長(zhǎng)，因此總光度雖可能增長(zhǎng)，表面溫度卻會(huì)下降。質(zhì)量高于4倍太陽(yáng)質(zhì)量的大恒星在氦核外重新引

8、發(fā)氫聚變時(shí)，核外放出來(lái)的能量未明顯增加，但半徑卻增大了好多倍，因此表面溫度由幾萬(wàn)開降到三、四千開，成為紅超巨星。質(zhì)量低于4倍太陽(yáng)質(zhì)量的中小恒星進(jìn)入紅巨星階段時(shí)表面溫度下降，光度卻急劇增加，這是因?yàn)樗鼈兺鈱优蛎浰馁M(fèi)的能量較少而產(chǎn)能較多。 預(yù)計(jì)太陽(yáng)在紅巨星階段將大約停留10億年時(shí)間，光度將升高到今天的好幾十倍。到那時(shí)侯，地面的溫度將升高到今天的兩三倍，北溫帶夏季最高溫度將接近100。23恒星的歸宿 ：與其質(zhì)量有關(guān)現(xiàn)代恒星演化理論認(rèn)為：如果一顆恒星的質(zhì)量比太陽(yáng)的質(zhì)量大得多（12100被太陽(yáng)質(zhì)量），它最終將猛烈地爆發(fā)成一顆超新星，使星際氣體中淋透了在該恒星核反應(yīng)中曾產(chǎn)生的所有元素的混合物，并成為組成

9、下一代恒星的原料（這一過程我們稱為超新星爆炸）。太陽(yáng)里所含有的許多元素，地球上巖石的組成等可能來(lái)源于此。有些恒星在其演化的后期也會(huì)發(fā)生不太壯觀的變化和噴射，如造父變星、行星狀星云以及新星等。新星不太激烈的爆發(fā)，可能是由于在一個(gè)雙星系統(tǒng)中兩星間質(zhì)量的交換所形成的。24在爆發(fā)和損失質(zhì)量后，恒星的最終歸宿有以下三種：質(zhì)量不大于太陽(yáng)1.4倍的恒星將成為一顆白矮星 ，這種星具有很高的密度（每立方厘米105107克），以致于電子是簡(jiǎn)并態(tài)的（被壓的擠在一起了），但星球的直徑只有幾千公里（像地球一樣大）。質(zhì)量在1.4至3倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星將成為一顆中子星，星體中的質(zhì)子和電子結(jié)合成為中子，其密度更高（外層：每立方

10、厘米10111014克，核心：每立方厘米1016克），中子處于簡(jiǎn)并態(tài)。一個(gè)黑洞，在黑洞中，恒星的物質(zhì)收縮到如此高的密度，以致于光線不再能從其中逃逸出來(lái)。在大于3被太陽(yáng)質(zhì)量的恒星中，簡(jiǎn)并壓力不足以支持星對(duì)于盈利的抗衡，因此，如果跟大質(zhì)量的恒星在其爆發(fā)過程中不能噴灑出它的大部分質(zhì)量的話，最終必將成為黑洞。 黒洞25大質(zhì)量恒星的死亡中子星或黑洞 大質(zhì)量恒星經(jīng)過一系列核反應(yīng)后，形成重元素在內(nèi)、輕元素在外的洋蔥狀結(jié)構(gòu)，其核心主要由鐵核構(gòu)成。此后的核反應(yīng)無(wú)法提供恒星的能源，鐵核開始向內(nèi)坍塌，而外層星體則被炸裂向外拋射。爆發(fā)時(shí)光度可能突增到太陽(yáng)光度的上百億倍，甚至達(dá)到整個(gè)銀河系的總光度，這種爆發(fā)叫做超新星爆

11、發(fā)。超新星爆發(fā)后，恒星的外層解體為向外膨脹的星云，中心遺留一顆高密天體。 金牛座里著名的蟹狀星云就是公元1054年超新星爆發(fā)的遺跡。超新星爆發(fā)的時(shí)間雖短不及1秒，瞬時(shí)溫度卻高達(dá)萬(wàn)億K，其影響更是巨大。超新星爆發(fā)對(duì)于星際物質(zhì)的化學(xué)成分有關(guān)鍵影響，這些物質(zhì)又是建造下一代恒星的原材料。 超新星爆發(fā)時(shí)，爆發(fā)與坍塌同時(shí)進(jìn)行，坍塌作用使核心處的物質(zhì)壓縮得更為密實(shí)。理論分析證明，電子簡(jiǎn)并態(tài)不足以抗住大坍塌和大爆炸的異常高壓，處在這么巨大壓力下的物質(zhì)，電子都被擠壓到與質(zhì)子結(jié)合成為中子簡(jiǎn)并態(tài)，密度達(dá)到10億噸/立方厘米。由這種物質(zhì)構(gòu)成的天體叫做中子星。一顆與太陽(yáng)質(zhì)量相同的中子星半徑只有大約10千米。26 從理論

12、上推算，中子星也有質(zhì)量上限，最大不能超過大約3倍太陽(yáng)質(zhì)量。如果在超新星爆發(fā)后核心剩余物質(zhì)還超過大約3倍太陽(yáng)質(zhì)量，中子簡(jiǎn)并態(tài)也抗不住所受的壓力，只能繼續(xù)坍縮下去。最后這團(tuán)物質(zhì)收縮到很小的時(shí)候，在它附近的引力就大到足以使運(yùn)動(dòng)最快的光子也無(wú)法擺脫它的束縛。因?yàn)楣馑偈乾F(xiàn)知任何物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的極限，連光子都無(wú)法擺脫的天體必然能束縛住任何物質(zhì)，所以這個(gè)天體不可能向外界發(fā)出任何信息，而且外界對(duì)它探測(cè)所用的任何媒介包括光子在內(nèi)，一貼近它就不可避免地被它吸進(jìn)去。它本身不發(fā)光并吞下包括輻射在內(nèi)的一切物質(zhì)，就象一個(gè)漆黑的無(wú)底洞，所以這種特殊的天體就被稱為黑洞。黑洞有很多奇特的性質(zhì)，對(duì)黑洞的研究在當(dāng)代天文學(xué)及物理學(xué)中有

13、重大的意義。黒洞27在這些紅色氣體核心10光年范圍聚集了50多顆恒星都是年輕而熾熱的恒星迄今為止發(fā)現(xiàn)的最年輕的行星狀星云。在綠色環(huán)氣體的中間是明亮的恒星，它的伴星在它點(diǎn)鐘的方向。球狀星團(tuán)中的白矮星是離地球最近的球狀星團(tuán)，47光年擁有超過顆恒星。從地面望遠(yuǎn)鏡看來(lái)，那里有很多明亮的紅巨星，所以哈勃把M4定為尋找白矮星的星團(tuán)。ngc3132行星狀星云，位于南半球，一個(gè)死亡的恒星形成的太空中的恒星爆發(fā)，紫紅的雙層氣體外殼是恒星噴射出來(lái)的比好幾個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量還大。外層殼大約四光年，接近太陽(yáng)與比鄰星的距離。該恒星位于人馬座方向25000光年。因?yàn)樗挥阢y河系中央，被厚厚的塵埃遮蔽，所以這張圖片是紅外線攝得。光

14、度相當(dāng)于10億個(gè)太陽(yáng)n恒星的一生28n人類為什么要探索宇宙空間？n花費(fèi)巨大的宇宙探索值得嗎？29n宇宙的起源 本世紀(jì)，有兩種“宇宙模型”比較有影響。 一是穩(wěn)態(tài)理論穩(wěn)態(tài)理論：穩(wěn)態(tài)理論認(rèn)為，宇宙在任何時(shí)候，平均來(lái)說始終保持相同的狀態(tài)。 若干世紀(jì)以來(lái)，很多科學(xué)家認(rèn)為宇宙除去一些細(xì)微部分外，基本沒有什么變化。宇宙不需要一個(gè)開端或結(jié)束。即使是在發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹之后，這種想法也沒有被放棄。托馬斯.戈?duì)柕?Thomas Gold)，赫爾曼.邦迪(Herman Bondi)及弗雷德.霍伊爾(Fred Hoyle)于40年代后期提出，物質(zhì)正以恰當(dāng)?shù)乃俣炔粩鄤?chuàng)生著，這一創(chuàng)生速度剛好與因膨脹而使物質(zhì)變稀的效果相平衡

15、，從而使宇宙中的物質(zhì)密度維持不變。這種狀態(tài)從無(wú)限久遠(yuǎn)的過去一直存在至今，并將永遠(yuǎn)地繼續(xù)下去。宇宙在任何時(shí)候，平均來(lái)說始終保持相同的狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)理論所要求的創(chuàng)生速率很小，每100億年中，在一立方米的體積內(nèi)，大約創(chuàng)生1個(gè)原子。穩(wěn)態(tài)理論的優(yōu)點(diǎn)之一是它的明確性。它非?？隙ǖ仡A(yù)言宇宙應(yīng)該是什么樣子的 。也正因如此 ，它很容易遭受觀測(cè)事實(shí)的質(zhì)疑或反駁。當(dāng)宇宙背景輻射被發(fā)現(xiàn)后，這一理論基本上已被否定。30 1948年，美國(guó)的物理學(xué)家伽莫夫提出了宇宙大爆炸學(xué)說。他認(rèn)為：我們所觀測(cè)到的宇宙始于150億年前的一次爆炸性事件。爆炸之初，宇宙是一個(gè)極高溫、高密度的“輻射地獄”，物質(zhì)只能以質(zhì)子、中子、電子、光子和中微子等

16、基本粒子形態(tài)存在。宇宙爆炸之后的不斷膨脹，導(dǎo)致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，并復(fù)合成通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星云，星云進(jìn)一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成我們現(xiàn)在所看到的宇宙。 二是宇宙大爆炸理論： 31 1、20年代后期，愛德溫哈勃(Edwin Hubble)發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)星系的光波“變長(zhǎng)”了（即紅移現(xiàn)象紅移現(xiàn)象），哈勃大膽推論，遙遠(yuǎn)星系光波變長(zhǎng)是由于“宇宙在膨脹”，因?yàn)榘l(fā)光恒星在后退時(shí)光速不變的話，我們收到的光的波長(zhǎng)就會(huì)大于原來(lái)的值。 2、60年代中期，美國(guó)的射電天文學(xué)家阿爾諾彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特威爾遜(Robert Wilson)探測(cè)到了彌漫全宇宙空間的微波