恒星的形成與演化(科普版)

1、恒星的形成與演化恒星的形成與演化大爆炸大爆炸第一代第一代結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在現(xiàn)在恒星的形成恒星的形成l 大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué)宇宙的極早期，宇宙的溫度和密度都宇宙的極早期，宇宙的溫度和密度都極高極高溫度不斷下降，宇宙輻射為主溫度不斷下降，宇宙輻射為主物質(zhì)為主物質(zhì)為主氣體逐漸凝聚成氣云，然后有氣體逐漸凝聚成氣云，然后有恒星、星系恒星、星系 l 恒星形成理論恒星形成理論星際氣體怎么會(huì)形星際氣體怎么會(huì)形 成光輝奪目的成光輝奪目的恒星恒星 呢？呢？2022-5-3散布于空間彌漫物質(zhì)在散布于空間彌漫物質(zhì)在引力引力作用下凝聚為恒星作用下凝聚為恒星宇宙空間存在著大量的星際物質(zhì)（宇宙空間存在著大量的星際物質(zhì)（星際氣

2、體、星際塵埃、宇宙線(xiàn)與星際磁場(chǎng)）由于星際物質(zhì)密度的不均勻性，形成了一些密度較大區(qū)域由于星際物質(zhì)密度的不均勻性，形成了一些密度較大區(qū)域星際物質(zhì)受到引力的作用，便聚集到這些區(qū)域，形成星云星際物質(zhì)受到引力的作用，便聚集到這些區(qū)域，形成星云星云不斷收縮，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為恒星內(nèi)部熱能和向外的輻射能星云不斷收縮，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為恒星內(nèi)部熱能和向外的輻射能星云溫度不斷提高，并向外輻射能量，從而形成原始恒星星云溫度不斷提高，并向外輻射能量，從而形成原始恒星不同類(lèi)型的恒星不同類(lèi)型的恒星規(guī)模較小的星云形成一個(gè)規(guī)模較小的星云形成一個(gè)孤立的恒星孤立的恒星, ,大的星云由于密度不均勻大的星云由于密度不均勻, ,其中有幾個(gè)質(zhì)量中心其

3、中有幾個(gè)質(zhì)量中心, ,因而形因而形成成雙星、聚星或星團(tuán)雙星、聚星或星團(tuán)。質(zhì)量非常小的星云質(zhì)量非常小的星云, ,不能收縮成為恒星不能收縮成為恒星2022-5-54巨蛇座彌漫星云巨蛇座彌漫星云M16M16彌漫星云 獵戶(hù)座馬頭星云彌漫星云玫瑰星云彌漫星云三葉星云彌漫星云人馬座礁湖星云M8彌漫星云行星狀星云 金牛座蟹狀星云M1 亮星云：發(fā)射星云，反射星云星云 暗星云馬頭星云鷹云l暗星云 (dark nebulae) 大量的塵埃阻擋了星云內(nèi)部或后面恒星的星光。昴星團(tuán)l反射星云 (reflection nebulae) 星云通過(guò)塵埃反射附近的熱星的星光而發(fā)光，顏色偏藍(lán)。 熱星的光譜型一般晚于B3型。恒星形

4、成理論恒星形成理論: 彌漫學(xué)說(shuō)彌漫學(xué)說(shuō) 散布于空間彌漫物質(zhì)在引力作用下凝聚為恒星散布于空間彌漫物質(zhì)在引力作用下凝聚為恒星 宇宙空間存在著大量的星際物質(zhì)（宇宙空間存在著大量的星際物質(zhì)（星際氣體、星際塵埃、宇宙線(xiàn)與星際磁場(chǎng)） 由于星際物質(zhì)密度的不均勻性，形成了一些密度較大區(qū)域由于星際物質(zhì)密度的不均勻性，形成了一些密度較大區(qū)域 星際物質(zhì)受到引力的作用，便聚集到這些區(qū)域，形成星云星際物質(zhì)受到引力的作用，便聚集到這些區(qū)域，形成星云 星云不斷收縮，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為恒星內(nèi)部熱能和向外的輻射能星云不斷收縮，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為恒星內(nèi)部熱能和向外的輻射能 星云溫度不斷提高，并向外輻射能量，從而形成原始恒星星云溫度不斷提高，并向

5、外輻射能量，從而形成原始恒星不同類(lèi)型的恒星不同類(lèi)型的恒星 規(guī)模較小的星云形成一個(gè)規(guī)模較小的星云形成一個(gè)孤立的恒星孤立的恒星, , 大的星云由于密度不均勻大的星云由于密度不均勻, ,其中有幾個(gè)質(zhì)量中心其中有幾個(gè)質(zhì)量中心, ,因而形因而形成成雙星、聚星或星團(tuán)雙星、聚星或星團(tuán)。 質(zhì)量非常小的星云質(zhì)量非常小的星云, ,不能收縮成為恒星不能收縮成為恒星2022-5-515l由萬(wàn)有引力產(chǎn)生的一種不穩(wěn)定性，因由萬(wàn)有引力產(chǎn)生的一種不穩(wěn)定性，因金斯在金斯在2020世紀(jì)初最先研究而得名世紀(jì)初最先研究而得名l對(duì)于一個(gè)如星云的自引力體系，對(duì)于一個(gè)如星云的自引力體系，當(dāng)星當(dāng)星云的質(zhì)量足夠高時(shí)，云的質(zhì)量足夠高時(shí)，( (向

6、內(nèi)的向內(nèi)的) )引力超引力超過(guò)由熱運(yùn)動(dòng)和湍動(dòng)產(chǎn)生的過(guò)由熱運(yùn)動(dòng)和湍動(dòng)產(chǎn)生的( (向外的向外的) )壓壓力，將引起星云的收縮力，將引起星云的收縮 l星云不穩(wěn)定的極限質(zhì)量稱(chēng)為金斯星云不穩(wěn)定的極限質(zhì)量稱(chēng)為金斯(Jeans)(Jeans)質(zhì)量：質(zhì)量：2022-5-16MJ1.2105MT100K3 21024gcm31 232James Jeans1877 - 19462022-5-17MJ1.2105MT100K3 21024gcm31 232中性氫云：中性氫云：n 1cm-3, T 100KMJ3104 M 暗分子云：暗分子云：n 106 cm-3, T 10 K MJ1 M JeansJeans質(zhì)

7、量判據(jù)給出了質(zhì)量判據(jù)給出了非相對(duì)論非相對(duì)論、無(wú)磁場(chǎng)無(wú)磁場(chǎng)星云星云坍縮的必要條件坍縮的必要條件( (并不是所有的星云都可以形成恒星并不是所有的星云都可以形成恒星) )l有效的能量輻射有效的能量輻射輻射壓將反抗引輻射壓將反抗引力力,阻礙星云塌縮阻礙星云塌縮l星系潮汐力影響星系潮汐力影響l星云原初角動(dòng)量星云原初角動(dòng)量Rotationthat is, spincan also compete with gravitys inward pull2022-5-20 垂直自轉(zhuǎn)軸方向停止收縮，平行方向繼續(xù)收縮，垂直自轉(zhuǎn)軸方向停止收縮，平行方向繼續(xù)收縮，星云變得扁平且密度增大，最終星云碎裂。總角動(dòng)星云變得扁平且

8、密度增大，最終星云碎裂?？偨莿?dòng)量被分解為各個(gè)碎塊的自轉(zhuǎn)和軌道角動(dòng)量。量被分解為各個(gè)碎塊的自轉(zhuǎn)和軌道角動(dòng)量。l原始星云的磁場(chǎng)原始星云的磁場(chǎng)原始星云一般具有微弱的磁場(chǎng)。原始星云一般具有微弱的磁場(chǎng)。隨著星云收縮，磁場(chǎng)強(qiáng)度變大。隨著星云收縮，磁場(chǎng)強(qiáng)度變大。磁場(chǎng)將阻止星云收縮，特別是垂磁場(chǎng)將阻止星云收縮，特別是垂直于磁場(chǎng)方向的收縮。直于磁場(chǎng)方向的收縮。2022-5-21Magnetism can hinder the contraction of a gas cloud, especially in directions perpendicular to the magnetic field (soli

9、d lines). Frames (a), (b), and (c) trace the evolution of a slowly contracting interstellar cloud having some magnetism.2022-5-22HSTHST拍攝到了迄今為拍攝到了迄今為止最清晰的止最清晰的獵戶(hù)座星獵戶(hù)座星云云全景照片。這張照全景照片。這張照片不僅顯示出大量恒片不僅顯示出大量恒星的誕生，也包含有星的誕生，也包含有罕見(jiàn)的褐矮星。罕見(jiàn)的褐矮星。2022-5-23獵戶(hù)星云縮小圖最大恒星深紅色柱Failing starsSculpting the landscapePilla

10、rs of gas2022-5-I 這是一張從這是一張從 Spitzer 和和HST 得到得到的圖片的圖片 光波波長(zhǎng)為0.43微米,0.50微米和0.53微米是藍(lán)色的。 波長(zhǎng)0.6微米,0.65微米，0.91微米是綠色的。3.6微米的光是橘黃色的8微米的光 是紅色的l恒星的形成恒星的形成： 引力坍縮引力坍縮 分子云 恒星 恒星演化的基本原理 恒星在一生的演化中總是試圖處于穩(wěn)定狀態(tài)（流體靜力學(xué)平衡和熱平衡）。當(dāng)恒星無(wú)法產(chǎn)生足夠多的能量時(shí)，它們就無(wú)法維持熱平衡和流體靜力學(xué)平衡，于是開(kāi)始演化。 恒星的一生就是一部和引力斗爭(zhēng)的歷史！如果恒星處于流體靜力學(xué)平衡和熱平衡，而且它的能量來(lái)自?xún)?nèi)部的核反應(yīng)，它們

11、的結(jié)構(gòu)和演化就完全唯一地由初始質(zhì)量和化學(xué)豐度決定。l赫羅圖是天文學(xué)上最重要的圖之一，l由 Hertzsprung 丹麥與 Russell美國(guó)分別發(fā)現(xiàn)。如以恒星的表面溫度、發(fā)光能力亮度與光譜型態(tài)為坐標(biāo)作圖，恒星在圖上的分布可分成數(shù)群：Ia亮超巨星& Ib超巨星, II亮巨星, III巨星, IV次巨星, V主序星與白矮星。傳統(tǒng)上橫軸上的溫度是由右向左遞增。l右方的縱軸為恒星的絕對(duì)星等，亦即恒星在距地球10 pc(32.6 ly)時(shí)的視星等。絕對(duì)星等可量度一恒星的實(shí)際亮度。亮度亮度 溫度溫度不同的恒星 有不同的位置100001000100101101100110001OBAFGKM40000010

12、0000700005000030000溫度(0C)和太陽(yáng)比較下的實(shí)際亮度光譜型藍(lán) 白 黃 橙 紅太陽(yáng)的一生五千萬(wàn)年太陽(yáng)在主序帶上燃燒一百億年五億年太陽(yáng)膨脹成為紅巨星比地球軌道還大太陽(yáng)由氣體云收縮太陽(yáng)的外層因激烈的脹縮而爆發(fā)75000年壽終正寢的太陽(yáng)成為白矮星最后，變成黑矮星l小質(zhì)量星在赫羅圖上的演化軌跡l中等質(zhì)量星在赫羅圖上的演化軌跡恒星中心核可能經(jīng)歷的核燃燒過(guò)程及其生成物恒星內(nèi)部物理過(guò)程 ：核心H枯竭殼層H燃燒核心He燃燒核心He枯竭殼層He和H燃燒核心C燃燒核心C枯竭殼層C、He和H燃燒O, Ne, Si燃燒 Fe核l經(jīng)歷多種元素聚合反應(yīng)后，以超新星爆發(fā)的形式結(jié)束一生。l1987.2.23

13、爆發(fā) (d = 170,000 ly)，是人類(lèi)自望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以來(lái)第一顆憑肉眼發(fā)現(xiàn)的超新星。l前身星： Sanduleak -69202，B3 I型藍(lán)超巨星M 20 M，L 105 L，T 16,000 K，R 40RSN 1987A in X-rayCrab Nebula - Optical and X-ray天鵝圈 Cygnus Loop恒星的形成與演化圖紅巨星 熱力與重力的抗?fàn)師崃εc重力的抗?fàn)幖t巨星的終結(jié)會(huì)因質(zhì)量的不同而有不同的結(jié)果：紅巨星的終結(jié)會(huì)因質(zhì)量的不同而有不同的結(jié)果：質(zhì)量為太陽(yáng)三倍以下，會(huì)形成白矮星質(zhì)量為太陽(yáng)三倍以下，會(huì)形成白矮星。 質(zhì)量為太陽(yáng)三倍以上，則形成超新星。質(zhì)量為太陽(yáng)三倍以

14、上，則形成超新星。 熱力與重力的抗?fàn)師崃εc重力的抗?fàn)?紅巨星乃恒星的紅巨星乃恒星的老年老年?duì)顟B(tài)，恒星內(nèi)部的核狀態(tài)，恒星內(nèi)部的核融合將氫結(jié)合成氦、氦合成碳、碳合成氧融合將氫結(jié)合成氦、氦合成碳、碳合成氧.直直至產(chǎn)生鐵后，便不能再進(jìn)行核融合。核融合變少，至產(chǎn)生鐵后，便不能再進(jìn)行核融合。核融合變少，恒星溫度下降，使恒星收縮。收縮后，又因收縮恒星溫度下降，使恒星收縮。收縮后，又因收縮產(chǎn)生熱力，恒星再次膨脹。恒星就如此落入重力產(chǎn)生熱力，恒星再次膨脹。恒星就如此落入重力與熱力的競(jìng)爭(zhēng)中。后期因鐵核增大，膨脹收縮的與熱力的競(jìng)爭(zhēng)中。后期因鐵核增大，膨脹收縮的幅度上升，形成稱(chēng)為幅度上升，形成稱(chēng)為變星變星的亮度脈沖星

15、體。的亮度脈沖星體。 紅巨星紅巨星 它為什么稱(chēng)為紅巨星呢?當(dāng)一星球，進(jìn)入碳氮氧循環(huán)核能反應(yīng)的變星階段。 此時(shí)星球的外觀充滿(mǎn)著快速擴(kuò)散的氣體，也因此而降低了溫度，呈現(xiàn)紅色的低溫特征， 如此巨大呈現(xiàn)泛紅的星體被稱(chēng)之為: 紅巨星星球外層氣體會(huì)膨脹而成:紅巨星 白矮星 白矮星為小質(zhì)量恒星的死亡方式。在紅巨星階段，氣體層散發(fā)后，剩下的散發(fā)淡光的鐵核，這就是白矮星。白矮星溫度很高，質(zhì)量也大，一立方厘米約為十個(gè)人的質(zhì)量，大小如同地球。 白矮星最后會(huì)因能量散失(主要是光)而變?yōu)榘档瓱o(wú)光的黑矮星。超新星新星超新星的殘骸超新星為大質(zhì)量恒星的死亡方式。恒星因鐵核質(zhì)量周過(guò)大，膨脹收縮激烈，鐵核因重力使質(zhì)子與電子結(jié)合，形成中子核和放出微中子。氣