太陽(yáng)=1半徑溫度質(zhì)量類(lèi)型恒星范例課件

1、一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月 120-150億年 宇宙誕生銀河系誕生太陽(yáng)系誕生 46億年 21億年大氣圈有氧氣 大氣圈 出現(xiàn)氧氣地球上生命出現(xiàn) 35億年有性生殖出現(xiàn)12345678910111213141516171819202122232425262728293031十 二 月陸生植物出現(xiàn)樹(shù)木及爬蟲(chóng)類(lèi)出現(xiàn)第一隻恐龍出現(xiàn)恐龍滅絕，哺乳類(lèi)取而代之靈長(zhǎng)類(lèi)出現(xiàn) 6千5百萬(wàn)年 41秒整個(gè)人頪歷史人類(lèi)平均壽命=0.15秒尼安德塔人宇宙年曆把宇宙從開(kāi)始到現(xiàn)在的歷史壓縮成一年，所有有紀(jì)錄的歷史（人類(lèi)文明）發(fā)生在最後的21秒中最後十分鐘早期智人時(shí)間誌大霹靂證據(jù)1：膨脹中的宇宙太陽(yáng)星系的

2、紅位移，證明我們從任何方向所觀察到的星系，都在遠(yuǎn)離地球而去。我們觀察到的所有星星均離我們而去的現(xiàn)象，並不表示我們是宇宙中心。在這膨脹中的宇宙裡，每顆星星都會(huì)發(fā)現(xiàn)其他星星正在遠(yuǎn)離自己而去。一團(tuán)正在發(fā)酵的葡萄麵包是宇宙擴(kuò)張一個(gè)最適當(dāng)?shù)木呦竽Ｐ停寒?dāng)麵包膨脹時(shí)，每一顆葡萄乾會(huì)發(fā)現(xiàn)其他葡萄乾都正在遠(yuǎn)離自己而去。大霹靂證據(jù)2：宇宙輻射背景溫度3K從天空的任何方向觀察宇宙的微波波段，得知整個(gè)宇宙的背景幅射是均勻的。其波長(zhǎng)可對(duì)應(yīng)到絕對(duì)溫度為3K的黑體輻射。 。被視為宇宙在膨脹過(guò)程中，當(dāng)溫度接近3000K而變得透明時(shí)（在此溫度之上，物質(zhì)均以電漿（離子化的原子 ）形式存在，對(duì)於大部份輻射來(lái)說(shuō)是不透明的），宇宙微波

3、背景輻射發(fā)散後的殘餘 。 宇宙微波背景輻射的精微細(xì)節(jié)：微波異向性探測(cè)衛(wèi)星Microwave Anisotropy Probe (MAP)2003年2月探測(cè)紀(jì)錄宇宙的年齡：137+/-1.4 億年請(qǐng)參閱Seife發(fā)表於 Science Vol.299(2003 ) ：992-93 頁(yè)之圖片大霹靂証據(jù)3：優(yōu)勢(shì)元素氫與氦 氫(73)與氦（ 25 ）幾乎佔(zhàn)了宇宙中所有具原子的物質(zhì)組成，其他元素所佔(zhàn)比例2 。 高比例的氦強(qiáng)而有力地證實(shí)了大霹靂的模型，因?yàn)槠渌Ｐ驼J(rèn)為氦所佔(zhàn)的比例都相當(dāng)?shù)汀?就我們現(xiàn)在對(duì)這宇宙的瞭解，並未發(fā)現(xiàn)任何已知的歷程足以顯著改變氫/氦(H/He)的比例，故此在宇宙膨脹過(guò)程中，當(dāng)氚逐漸

4、穩(wěn)定時(shí)，氫與氦便以這比例存在。星系的形成（問(wèn)題）膨脹中宇宙的隨機(jī)非一致性並不足以提供星系形成的條件。在宇宙快速的膨脹的前提下，由於引力很太弱，因此沒(méi)有任何適合的模型可以說(shuō)明由膨脹本身所製造出的擾動(dòng)足以讓星系形成。 .宇宙如此龐大的結(jié)構(gòu)到底是如何形成，一直以來(lái)都是宇宙科學(xué)中一個(gè)重要而難解的課題為了解開(kāi)星系如何形成這個(gè)謎題，我們得先了解第一毫秒前所發(fā)生的事（Trefil p.43)星系！照片已獲哈伯太空望遠(yuǎn)鏡授權(quán)轉(zhuǎn)載一幅由哈伯太空望遠(yuǎn)鏡所拍攝太空深處的出色照片。每個(gè)看得見(jiàn)的光體都可能是一個(gè)星系(除了前景那一顆有光芒的的恆星之外)星系幾何形狀與銀河系 星系的幾何形狀極其繁多包括我們銀河系的螺旋狀星系

5、銀河系是由幾億顆星體所組成太陽(yáng)距銀河系中心約26光年由 黑 暗 星 雲(yún) 形 成 原 恆 星時(shí)間= 0重力重力黑暗星雲(yún)(Dark Nebulae)：由氣體及塵粒所組成不透光的氣團(tuán)或雲(yún)塊，其外形極難界定（例如蛇狀），用肉眼觀察較大的黑暗星雲(yún)時(shí)，在銀河系較光亮的背景襯托下有如一黑色班點(diǎn)。原恆星星雲(yún)碎片時(shí)間 = 10百萬(wàn)年分子雲(yún) / 黑暗星雲(yún)恆星的產(chǎn)生巨蛇座的黑暗星雲(yún)（m16, 老鷹星雲(yún)）形成之原恆星照片已獲哈伯太空望遠(yuǎn)鏡授權(quán)轉(zhuǎn)載獵戶(hù)座星雲(yún)中可能為原恆星的侯選星體照 片 已 獲 哈 伯 太 空 望 遠(yuǎn) 鏡 授 權(quán) 轉(zhuǎn) 載太陽(yáng)系的大小星 體 的 維 繫向內(nèi)的重力與向內(nèi)的壓力相互平衡（流體靜力平衡） 所產(chǎn)

6、生的能量向外輻射散出（熱力學(xué)平衡） 相對(duì)來(lái)說(shuō)太陽(yáng)是一體積較小、溫度較低的星體，其輻射的波長(zhǎng)主要為電磁波光譜上可見(jiàn)光的部份。 溫度較低的星體輻射的波長(zhǎng)（）較長(zhǎng)，而溫度較高的輻射的波長(zhǎng)則較短。電 磁 波 光 譜元 素 光 譜 每一種元素在可見(jiàn)光的彩虹光譜中都有其獨(dú)特的光譜線(xiàn)，即化學(xué)指紋。我們可以利用分光儀取得光譜，例如白光經(jīng)分光儀解析後，可以得知是由不同顏色的單色光所組成的。都卜勒效應(yīng)光源與觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生 向觀察者接近：光被壓縮（波長(zhǎng)變短）。愈短=愈偏向藍(lán)光，即藍(lán)位移 光源遠(yuǎn)離觀察者：波長(zhǎng)變長(zhǎng)，偏向紅光，即紅位移藍(lán)位移紅位移當(dāng)一個(gè)距離很遠(yuǎn)的光源移動(dòng)時(shí)，其可見(jiàn)光中的光譜線(xiàn)會(huì)跟著偏移（參看範(fàn)例

7、） 所有已被發(fā)現(xiàn)的星系都有紅位移光諳，表示所有星系均在離我們而去。遠(yuǎn)距離星系的紅位移現(xiàn)象較近距離星系更明顯，符合膨脹中宇宙的現(xiàn)象。 哈伯定律：紅向位移（後退速度）與距離成正比。紅 位 移 與 距 離 的 關(guān) 係視 差 法 測(cè) 距視線(xiàn)1角A基 線(xiàn)A視線(xiàn)2不用接近而測(cè)得目標(biāo)物的距離：測(cè)量A-B距離及A、B的角度B角B巖石天 文 學(xué) 的 測(cè) 距視線(xiàn)1視線(xiàn) 2基 線(xiàn)基線(xiàn)=地球公轉(zhuǎn)軌跡的直徑（31013cm）距離最近的星體=41018cm角B角A星星恆 星 光 譜 分 類(lèi)光度與質(zhì)量成正比溫度與波長(zhǎng)成反比（蒲朗克曲線(xiàn)）光譜分類(lèi)及顏色絕大部分是由表面溫度差異所造成（非化學(xué)成份）類(lèi)型質(zhì)量溫度半徑光度(太陽(yáng) =

8、 1)O60.050,00015.01,400,000B18.028,0007.020,000A3.210,0002.580F1.77,4001.36G1.16,0001.11.2K0.84,9000.90.4M0.33,0000.40.04恆 星 範(fàn) 例太陽(yáng)HD93129A 太陽(yáng)：典型的G型星 HD93129A是一顆B等星，較大、較亮、溫度也較高。太 陽(yáng) 在 主 序 帶 的 演 化整個(gè)演化過(guò)程約有一百億年（已過(guò)了四十六億年）直至所有氫氣耗盡為止. . . . . . . . . . . .太 陽(yáng)未來(lái)遠(yuǎn)離主 序 帶 後 的 演 化大約 再過(guò)五十億年太陽(yáng)的氫將耗盡。 一連串的塌縮將導(dǎo)致溫度上昇，

9、足以使原子核融合成重核。溫度較低的太陽(yáng)表面不斷向外擴(kuò)張，而漸漸變成紅巨星。在氦耗盡及核心融合成碳之後，便出現(xiàn)氦閃。急速收縮而成為白矮星，最後演化成黑矮星。太 陽(yáng) 的 紅 巨 星 時(shí) 期 t 減 50 億 年 少於四個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恆星，當(dāng)其核心的氫燃燒淨(jìng)盡後便開(kāi)始膨脹而成為紅巨星太陽(yáng)的白矮星時(shí)期 當(dāng)紅巨星的三 (triple-alpha )過(guò)程 (氦融合成鈹，然後成為碳)完成後，那些質(zhì)量少於四個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恆星再也沒(méi)有足夠的能量來(lái)啟動(dòng)碳融合。它們便會(huì)崩塌，朝主序帶左下方演化而成白矮星。電子簡(jiǎn)併（即當(dāng)恆星收縮時(shí)電子被迫提升至較高能階）所產(chǎn)生的壓力，最後會(huì)使塌縮停止。（一茶匙白矮星的質(zhì)量等於5噸，相當(dāng)於

10、太陽(yáng)質(zhì)量的白矮星，其體積約與地球相當(dāng)） 恆星生命的盡頭 在質(zhì)量大量消失後，質(zhì)量25MSUN的恆星便演變?yōu)榘装恰?由於受限於原子結(jié)構(gòu)的極限，所有白矮星的質(zhì)量都不會(huì)超過(guò)Chandrasekhar Limit（1.4Ms）。 若恆星的起始質(zhì)量1.4MS，在行星狀星雲(yún)階段外殼被摧毀時(shí) ，質(zhì)量便會(huì)急遽減少，最終便會(huì)達(dá)致這個(gè)質(zhì)量。 觀察貓眼星雲(yún)便可發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象。PA95-O1aST SclJanuary 1995 P.Harrington （U.MD）, NASA12/13/94 Zgl照片已獲哈伯太空望遠(yuǎn)鏡授權(quán)轉(zhuǎn)載NGC 6543HST WFPC2超 新 星 其所釋放的能量極其巨大，可連續(xù)數(shù)日發(fā)出整個(gè)

11、星系中最明亮的光芒。M51星系中的超新星1991T 在鄰近的星系中約每隔一百年會(huì)出現(xiàn)一顆超新星（若每年觀測(cè)一百個(gè)星系最少會(huì)發(fā)現(xiàn)一顆超新星）中子星全是由簡(jiǎn)併中子（質(zhì)子與電子結(jié)合而成）所構(gòu)成 當(dāng)中子星的質(zhì)量增加，其半徑便會(huì)減少（與白矮星類(lèi)似），旋轉(zhuǎn)的速度也會(huì)變得更快（角動(dòng)量不變）。例如：一顆0.7太陽(yáng)質(zhì)量的中子星，半徑只有10公里。 雖然其表面溫度可能只有50,000K，但在半徑如此小的體積產(chǎn)生的光芒卻是太陽(yáng)的百萬(wàn)倍以上。中 子 星中 子 星 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu)一 茶 匙 約 為 十 億 噸液態(tài)中子層鐵/電子外殼 超導(dǎo)體質(zhì)子及液態(tài)中子的核心密度（kg/m3）中 子 星 與 黑 洞質(zhì)量巨大的恆星會(huì)演化為

12、中子星及黑洞 由於黑洞內(nèi)的輻射線(xiàn)無(wú)法向外射出，故肉眼所見(jiàn)的黑洞在太空中如一顆黑點(diǎn)。 可以藉由星光的偏移程度來(lái)估算其質(zhì)量。 一個(gè)黑洞亦有其電荷及角動(dòng)量。 核 合 成圖 片 已 獲 Los Alamos 國(guó) 際 實(shí) 驗(yàn) 室 化 學(xué) 部 授 權(quán) 轉(zhuǎn) 載核合成：恆 星中核融合反應(yīng) 融合作用 反 應(yīng) 作 用 啟動(dòng)溫度 (106 K) 氫 燃 燒 H He, Li, Be, B 50-100 氦 燃 燒 He C,O200-300 碳 燃 燒 C O, Ne, Na, Mg 800-1000 氧 燃 燒 Ne, O Mg, S 2000 矽 燃 燒 Si Fe 3000 在宇宙初期發(fā)生鐵是釋放能量的融合反

13、應(yīng)最終產(chǎn)物3He=C, 4He=O由 氫 變 成 鐵 在正常情況下，恆星的核融合反應(yīng)不可能產(chǎn)生週期表中原子序比鐵大的化學(xué)元素。 核融合反應(yīng)因釋放能量而一直進(jìn)行，直到鐵生成為止。 因鐵族的結(jié)合能（束縛能）是在結(jié)合能曲線(xiàn)（binding energy curve）的高峰，所以核融合要產(chǎn)生原子序比鐵大的元素時(shí)便需劇烈地吸收能量。核 結(jié) 合 能(BE) 原子核是由質(zhì)子與中子組成，與相同數(shù)量個(gè)別的質(zhì)子與中子比較，原子核的質(zhì)量比較輕。 這個(gè)差異可以用來(lái)計(jì)算原子核融合時(shí)所需核結(jié)合能（nuclear binding energy）的量。 能量在核融合時(shí)被釋放出來(lái)質(zhì)子 21.00728 u中子 21.00886

14、 u質(zhì)量相加 4.03188 u粒子質(zhì)量4.00163 u1 u 1.0054 1 0 27 kg 931.494 MeV/c2BE可由公式計(jì)算：BEmc2粒子之m0.0304u BE28.3MeV比鐵原子核重的核種，其質(zhì)量會(huì)比融合它的原子核更重 產(chǎn)生比鐵重的元素是需要極龐大的能量，一般認(rèn)為只有超新星的大爆炸才可能提供如此巨大的能量。超新星的大爆炸會(huì)產(chǎn)生一異常巨大且活躍的中子流，原子核被這些中子撞擊後，便一次一單位地增加其質(zhì)量，進(jìn)而合成重核元素（中子捕獲）。飽含重核元素的外層因大爆炸而崩塌，便會(huì)形成模糊狀氫氣雲(yún)中重核元素的初生物，即為新恆星誕生之處。比 鐵 重 的 元 素中 子 捕 獲 與 輻

15、 射 的 衰 變 超新星大爆炸時(shí)因中子捕獲而產(chǎn)生一些不穩(wěn)定的原子核。 這些原子核會(huì)一直進(jìn)行輻射衰變，直至成為穩(wěn)定的同位素為止。太 陽(yáng) 系 及 地 球的吸 積作 用與 分 化 作 用 旋轉(zhuǎn)塵雲(yún)(星雲(yún)) 因旋轉(zhuǎn)而平坦 重力引起收縮 旋轉(zhuǎn)增加 物質(zhì)被聚集到核心原太陽(yáng) 不斷的壓縮使溫度達(dá)到106 0C啟動(dòng)核融合 大爆炸 行星的起源 氣體濃縮 重力使其合併成微行星 微行星合併並收縮成行星 行星 類(lèi)地行星或內(nèi)行星 水星、金星、地球、火星 太陽(yáng)風(fēng)使揮發(fā)性物質(zhì)（氫、氦、水）消失 巖石形成（氧、鎂、矽、鐵） 類(lèi)木行星（外層五個(gè)行星中的四個(gè)） 木星、土星、海王星、天王星 大部分為揮發(fā)性物質(zhì)（氫、氦） 冥王星 有點(diǎn)

16、特別-巖石加上冰及冷凍甲烷(CH4) 太陽(yáng)系的起源：星雲(yún)假說(shuō)行星的起源來(lái)自太陽(yáng)的星雲(yún) 氣體塵雲(yún)慢慢旋轉(zhuǎn) 重力引起收縮 高壓高溫（PV=nRT） 旋轉(zhuǎn)速度增加（角動(dòng)量不變） 塵埃環(huán)上的物質(zhì)被濃縮而成微行 星，然後成為行星（吸積作用）。ABCD類(lèi)地行星快速吸積 （30百萬(wàn)年）碳質(zhì)球粒隕石被認(rèn)為是太陽(yáng)系中最原始的物質(zhì)這可由已耗盡的同位素鉿(182Hf)衰變成大量子元素鎢(182W)來(lái)證明 同時(shí)亦可證明內(nèi)行星的吸積作用是極其快速的地 球70%的表面積被水覆蓋這是否為生命誕生的必要條件？這個(gè)藍(lán)色的星球到底有何獨(dú)特之處？ 地球的分化 結(jié)構(gòu)均勻的微行星 地球溫度漸漸升高 吸積作用及壓縮作用（T10000C）

17、 輻射衰變（T20000C） 鐵熔化-向核心移動(dòng) 因鐵的遷移而摩擦生熱 輕的物質(zhì)向上浮地殼 不輕不重的物質(zhì)保留-地函 大陸、海洋及大氣層的分化 大陸地殼是由原始地殼分化而成 海洋及大氣層 兩種假說(shuō) 內(nèi)部：從地球內(nèi)部釋放出氣體（火山氣體） 外層：慧星的撞擊帶來(lái)水、二氧化碳及其他氣體 初始期的大氣層充滿(mǎn)了H2、H2O、CO2而缺少O2。地球、大陸、海洋及大氣層的分化劇烈撞擊時(shí)期結(jié)束（39億年前）在第一個(gè)一億年中地球因吸積作用而成形，核心形成及氣體逸散。大氣層可能又熱又濃密，巖石熔融成巖漿海，生命出現(xiàn)的機(jī)會(huì)渺茫表面漸漸冷卻，濃密的大氣層逐漸消失 最早的花岡巖地殼及液態(tài)水出現(xiàn)，也可能出現(xiàn)大陸陸塊及最原

18、始的生命體。地球所受到的撞擊不斷破壞地表上的巖層並引發(fā)大規(guī)模的熔融，水圈中的水被蒸發(fā)?？赡茉诙嗵幵杏錾€(wěn)定的大陸與海洋被當(dāng)作為暗示原始生命出現(xiàn)的最早紀(jì)錄太陽(yáng)誕生及吸積盤(pán)的形成（45.7億年前） 早期地球的歷史由分化產(chǎn)生的小行星（45.6億年前）火星的吸積作用完成（45.4億年前）月球在地球吸積作用的中至後期產(chǎn)生（45.1億年前）地球初始期的大氣圈漸漸消失（45億年前）地球吸積作用，地核的形成及氣體釋放大致完成（44.7億年前）已知的最早鋯石碎片出現(xiàn)（44億年前）大部分已知的鋯石顆粒出現(xiàn)之最老上界（43億年前）目前所殘留最早的大陸地殼（40億年前）月球誕生事件的數(shù)值模擬 一個(gè)質(zhì)量如火星大小物

19、體（10的地球質(zhì)量）撞擊地球其核心被地球吞沒(méi)被撞出的地函碎片殘骸混合形成月球這可說(shuō)明地球自轉(zhuǎn)速率較快的原因高溫高熱的衝擊把所有地殼熔融形成第二次的巖漿海月球上的隕石坑 對(duì)生命體來(lái)說(shuō)是嚴(yán)苛的（穩(wěn)定傾斜） 隕石坑邊緣的巖石都是40-46億年老的巖石（極重大的撞擊） 木星的引力使地球與月球所遭受的撞擊減少了1000倍以上！適居帶Habitable Zone太陽(yáng)系中的適居帶 連續(xù)適居帶範(fàn)圍金星水星火星太陽(yáng)46億年其它影響適居帶的考量忠告：在探討生命的課題時(shí)，我們只會(huì)以人類(lèi)所熟識(shí)的生命形式及與地球類(lèi)似的自然條件來(lái)作為評(píng)估的依據(jù)，這將會(huì)使我們偏離事實(shí)。 溫室效應(yīng)：會(huì)增加表面溫度 （例如：金星位於0.72天

20、文單位處，在適居帶內(nèi)，但其表面溫度因溫 室效應(yīng)卻高達(dá)741K?。?恆星的壽命：質(zhì)量愈大，壽命愈短 （恆星壽命要夠長(zhǎng)才有足夠時(shí)間讓生命體完成演化） 紫外線(xiàn)輻射：質(zhì)量愈大，紫外線(xiàn)輻射線(xiàn)愈強(qiáng) （就如我們所知道的對(duì)生命是一種危害）適居帶隨著時(shí)間而往外移 (恆星的亮度會(huì)隨年齡的增加而增加)Drake 方程式問(wèn)：在任一埸所生命存在的機(jī)率是多少？答：N= Ng fp ne fl fi fc fL1,000 Ng銀河系中恆星的總數(shù)41011（高） fp擁有行星之恆星的比例0.1（很低） ne每個(gè)行星系統(tǒng)中類(lèi)似地球的行星個(gè)數(shù)0.1（低） fl生命體可存在並演化的適居行星比例 fi生命體能演化至有智慧階段的機(jī)率 fc生命體演化至有能力作長(zhǎng)距離通訊聯(lián)絡(luò)的機(jī)率flfifc1/300 （C.Sagan 猜測(cè)！朱註：Carl Sagan對(duì)此作的常數(shù)假設(shè)） fL該行星發(fā)展出高科技文明的生命週期比例110-4（很低） 此方程式是用以評(píng)估終有一天能夠與我們建立電磁波通訊的高智慧文明在本銀河系中存在的數(shù)量地 球 大 氣 層 及海 洋 的 形 成地球大氣層及海洋的形成 撞擊作用釋放氣體 富含揮發(fā)性物質(zhì)（H2O、N2、CH3、NH4） 的微行星撞擊地球 揮發(fā)性物質(zhì)堆積在大氣層中 衝擊的力量+溫室效應(yīng)=表面溫度昇高 （撞擊物體450公里會(huì)使海洋蒸發(fā)） 充滿(mǎn)水蒸氣的大氣層？ 或是海水凝結(jié) 與充滿(mǎn)水蒸氣的大氣