天文學(xué)基礎(chǔ)09-恒星

天文學(xué)基礎(chǔ)

（公共選修課教程）上海工程技術(shù)大學(xué)施韡§9恒星知道描述恒星的主要參數(shù)、分類；了解恒星演化的大致規(guī)律。重點：恒星演化規(guī)律?！?.1恒星的參數(shù)一、恒星的亮度、星等、光度恒星的亮度——在觀測點與實現(xiàn)垂直的平面上，星光產(chǎn)生的照度。照度——被照亮的程度，單位勒克斯(lx)坎德拉(cd)——輻射強度為每球面度1/683瓦，頻率為540×1012Hz（λ=560nm）的單色光源的發(fā)光強度。1坎德拉的發(fā)光強度輻射功率為4π/683瓦=0.0184瓦。該光源在1球面度內(nèi)的光通量定義為1流明。球面上的照度=4π流明/4π米2=1勒克斯，即一支標(biāo)準(zhǔn)蠟燭在1米處所產(chǎn)生的照度。恒星的亮度以照度為定義，卻不用勒克斯單位來描述，而是沿用古希臘人做法，用星等來表示。古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯把全天肉眼可見的恒星分成六個等級，最亮的1等，勉強可見的是6等?，F(xiàn)代方法測量發(fā)現(xiàn)1等星比6等星的實際亮度剛好大100倍。m=-2.5lgEm是勝利感覺的強弱程度，E是實際亮度。E=E010-0.4m勒克斯m是視星等的強弱程度，E是實際亮度。大氣層外產(chǎn)生的照度：絕對星等——恒星在10秒差距(pc)處的亮度秒差距——視差為1″的恒星的距離太陽地球恒星ρ″ρ″=206265/D(Au)AuD1pc=206265Au≈3.26Ly視星等和絕對星等的轉(zhuǎn)換M=m+5-5lgDm為視星等，D為恒星與地球距離，以秒差距為單位。恒星光度測量就是通過望遠鏡和輻射探測器測量恒星的亮度及亮度的變化情況。輻射探測器是天文望遠鏡的附屬設(shè)備，可以是照相底片、光電倍增管、電磁耦合器件（CCD）等。通過分光光度測量可以獲得恒星各個波段的能量分布情況，通過維恩位移定律可以求得恒星表面的絕對溫度T。λmax=bT-1b=2.898×10-3m·K已知溫度T，通過斯忒藩-波爾茲曼定律，可求恒星表面單位時間內(nèi)每單位面積上所有波長的輻射總量E。E=σT4σ=5.67×10-8W·m-2·K-4由以上公式可知：輻射能量最高的波長值隨溫度成反比。恒星表面溫度越高，能量越向短波波段集中，星光顏色偏藍紫色，反之偏紅橙色。恒星表面單位面積的輻射總量與溫度的4次方成正比。溫度高、體積大的恒星必然是光度大的恒星。已知恒星距離，可以從視亮度計算恒星的光度L，并可以由已知的輻射總量E得到恒星的半徑R。L=4πR2Eb=2.898×10-3m·K二、恒星的光譜三、恒星的位置和運動參數(shù)恒星的球面位置恒星的距離三角視差法恒星的運動參數(shù)恒星的自行自行可以分解為天球球面上沿赤經(jīng)方向和沿赤緯方向的球面坐標(biāo)運動，用單位時間內(nèi)運動的角度來計算，單位：角秒/年。目前已知自行最大的恒星是巴納德星，由美國天文學(xué)家巴納德（E.Barnard）于1916年發(fā)現(xiàn)，自行值為10″.31/年，距離5.9光年。恒星的運動參數(shù)恒星的視向速度恒星沿地球上的視線方向有遠離或趨近兩種可能的運動速度，成為視向速度。采用多普勒效應(yīng)測量視向速度。Δλ>0時，光譜線紅移，視向速度為正，恒星遠離。Δλ<0時，光譜線藍移，視向速度為負，恒星靠近。偏移量當(dāng)z較小的時候，可以使用牛頓力學(xué)體系中的公式計算退行速度。當(dāng)z較大的時候，必須使用相對論推算公式。§9.2主星序一、恒星的光譜型根據(jù)恒星表面溫度（顏色）進行的一元分類法?？偣?個大類，3個亞型，每個大類10個次型。哈佛分類法OBAFGKMSRNOh,BeAFineGirlKissMe!RightNow,Smack!各類光譜型與顏色的關(guān)系R、N、S三個亞型僅反映化學(xué)組成的差別。R、N型光譜中有較強的碳分子和氰分子（CN）吸收帶（碳星），K、M型光譜中有較強的金屬氧化物吸收帶（含氧星）。S型與M型類似，但有很強的氧化鋯（ZrO）分子吸收帶并往往伴有氫的發(fā)射線。在以太陽為中心450秒差距為半徑的銀河系空間中，B型星約占1%，A型星約占1.5%，F(xiàn)型星約占8%，G型星約占13%，K型星約占20%，M型星約占56%，其余各型攻占約0.5%。恒星的光譜就好比人的指紋摩根（W.W.Morgan）和基南（P.C.Keenan）在哈佛分類法（以溫度為依據(jù)）的基礎(chǔ)上，再加一個光度數(shù)據(jù)，提出二元分類法。光度分為七級，用羅馬數(shù)字表示，附在哈佛分類標(biāo)記后面，如有必要，在羅馬數(shù)字后面再加小寫英文字母排列光度順序。MK分類法

超巨型

亮巨星

正常巨星

亞巨星

主序星（矮星）

亞矮星

白矮星例如：太陽G2V，表示一顆黃色主序星

參宿七B8Ia，表示一顆光度特別大的藍白色超巨星二、赫羅圖——光譜光度圖丹麥天文學(xué)家赫茨普龍（E.Hertzsprung）和美國天文學(xué)家羅素（H.N.Russell）各自獨立地提出了恒星的光譜型與光度之間存在相關(guān)關(guān)系，并以圖形來表示，稱為赫羅圖或H-R圖。光譜型——溫度——顏色光度——絕對星等——恒星體積光度的單位是太陽的真亮度，通過絕對星等的差數(shù)可以計算。E=E010-0.4m織女星的絕對星等是0.50，太陽的絕對星等是4.75，它們的亮度比為50。三、主序星主序星是恒星一生中處于穩(wěn)定階段、停留時間最長的恒星。恒星在這個階段停留的時間占整個壽命的90%以上，相當(dāng)于人生的青壯年階段。太陽停留在主序階段的時間大約是100億年15個太陽質(zhì)量的恒星停留時間只有1500萬年1/2個太陽質(zhì)量的恒星在主序階段停留時間長達2000億年恒星質(zhì)量最大不超過太陽質(zhì)量的120倍，最小不小于太陽質(zhì)量的0.05倍§9.3恒星的演化機制一、恒星的能源強子：質(zhì)子、中子、介子（π、κ……）、超子（Λ、Σ……）原子結(jié)構(gòu)各種強子由夸克（quark）組成三“色”：紅、白、藍六“味”：上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、頂(t)、底(b)輕子：電子、中微子中微子有電子中微子、μ中微子和τ中微子等三種。質(zhì)量極小、不帶電荷、作用微弱、穿透力強、光速前行。反物質(zhì)反物質(zhì)的存在是1928年英國物理學(xué)家狄拉克從量子力學(xué)和相對論直接推導(dǎo)出來的，表現(xiàn)出自然界的對稱性。一切物質(zhì)粒子都有各自的反物質(zhì)，除光子外，所有粒子與它的反粒子質(zhì)量相同、電荷性質(zhì)相反、磁矩方向相反、自選方向相反。正反物質(zhì)能夠在達到一定溫度的時候（閾溫）由光子碰撞對稱地成對產(chǎn)生。正反粒子碰到一起會發(fā)生“湮滅”，又變成光子，正反物質(zhì)同時消滅，并以強光形式放出能量。1克正物質(zhì)和1克反物質(zhì)湮滅時釋放的能量約1.8×1014J，相當(dāng)于5000萬度電能。恒星內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)中應(yīng)該有反物質(zhì)產(chǎn)生。恒星的核聚變反應(yīng)質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)（氫氦聚變）碳-氮-氧循環(huán)（碳循環(huán)）二、主序星的理論模型原始恒星主要是由70%～75%的氫和24%～27%的氦組成。由于某種原因，原初物質(zhì)相對集中，形成原始恒星。當(dāng)恒星內(nèi)部放聲了氫氦熱核反應(yīng)并達到一定規(guī)模，主序階段開始。在主序星內(nèi)部，應(yīng)當(dāng)滿足五個物理方程：質(zhì)量方程流體靜力學(xué)平衡方程光度方程輻射轉(zhuǎn)移方程物態(tài)方程質(zhì)量1M10M0.6M典型星太陽角宿一天鵝座61A觀測值絕對星等光譜型距離/秒差距表面溫度/開4.75G2/5800-3.4B183240007.58K53.44000理論計算值中心密度/克·厘米-3中心溫度/萬開中心壓力/億帕核反應(yīng)類型輻射轉(zhuǎn)移方式100100013×107質(zhì)子-質(zhì)子內(nèi)層輻射外層對流828003.5×107碳循環(huán)內(nèi)層對流外層輻射658007.5×107質(zhì)子-質(zhì)子對流三種不同質(zhì)量的主序星的理論計算與實際觀測參量比較不同質(zhì)量主序星的赫羅圖不同質(zhì)量恒星在主序停留的時間三、主序前的情況原始星際物質(zhì)，平均密度約10-24克/厘米，每立方厘米1個氫原子。星際物質(zhì)塌縮成密度更大的星云。星云分裂成更小團塊，繼續(xù)濃縮，密度變大后繼續(xù)分裂。小星云質(zhì)量小到介于0.05～120個太陽質(zhì)量之間時，小星云不再分裂。小星云不斷聚攏，形成“星胚”。氫-氦熱核反應(yīng)開始，新恒星誕生！四、主序后的演化氦后元素的熱核反應(yīng)氦燃燒——當(dāng)溫度達到108開以上時，氦原子核將成為燃料，總釋放能量相率大約是氫燃燒的1/5：碳燃燒——當(dāng)溫度達到8×108開時，新的碳燃燒和氧燃燒開始，產(chǎn)出鎂（Mg）、硅（Si）、磷（P）、硫（S）等爐渣。這些元素的原子核所帶電荷已經(jīng)很大，形成“庫侖壁壘”，不容易靠得很近。氧燃燒光裂變反應(yīng)——溫度達到3.5×109開時，鎂和硅的原子核因吸收光子而發(fā)生光裂變反應(yīng)，產(chǎn)生鋁（Al）、氖（Ne）、氧（O），同時發(fā)射出質(zhì)子（氫原子核）、中子和α粒子（氦原子核）。硅燃燒（α燃燒）——溫度達到3.5×109開時，鎂和硅的原子核與氦原子核之間產(chǎn)生聚變反應(yīng)而產(chǎn)生原子量較大的元素硫（S）、氬（Ar）、鈣（Ca）、鈦（Ti）、鉻（Cr）、鐵（Fe）、鎳（Ni）。熱核反應(yīng)過程近似點燃溫度

（開）典型運轉(zhuǎn)溫度

（開）所需最小恒星質(zhì)量

（M）氫燃燒

氦燃燒

碳燃燒

氧燃燒

硅燃燒4×106

1×108

6×108

1×109

2×1092千萬

2億

8億

15億

35億0.05

0.5

4

6

9恒星內(nèi)部的熱核反應(yīng)數(shù)據(jù)小質(zhì)量恒星的晚期演化（<3M）氫燃料燃燒完畢，剩下氦。重力占上風(fēng)，核心收縮。大量引力能轉(zhuǎn)化為熱能核心收縮，外殼膨脹。核心氦外殼氫分別點燃外圍物質(zhì)膨脹，表面溫度下降。紅巨星誕生氦燃燒殆盡，生成碳氧。密度增加，殼心分離，白矮星形成。內(nèi)部冷卻，外部擴散，行星狀星云消失殆盡，成為暗物質(zhì)。104102110-210-410030103原太陽原太陽收縮紅巨星主星序拋出行星狀星云氫燃燒變成白矮星直至黑矮星溫度/千開光度太陽一生的演化進程中質(zhì)量恒星的晚期演化（3~9M）氫燃料燃燒完畢，剩下氦。進行氦燃燒，形成巨星。氦燃燒完畢，剩下碳氧爐渣。質(zhì)量較大引發(fā)碳燃燒。核心區(qū)膨脹不足以降溫，“碳閃”。引發(fā)爆炸，所有物質(zhì)全部拋散。形成Ia型超新星大質(zhì)量恒星的晚期演化（>9M）氫燃燒氦燃燒碳燃燒外層氫燃燒和氦燃燒同時進行形成巨型“洋蔥頭”層層熱核反應(yīng)直至生成鐵形成脈動星光子穿入鐵核形成氦和中子中子堆積，中微子逃逸。壓力驟減，引力巨大，迅速塌縮。超新星爆發(fā)，外層物質(zhì)解體。形成中子星或者黑洞。超級“洋蔥頭”白矮星中子星質(zhì)量1M2M半徑8000公里10公里密度106克/厘米31015克/厘米3溫度106開108開密近雙星五、最后的歸宿簡并壓力泡利不相容原理——原子中所有圍繞原子核運動的電子不允許有相同的運動狀態(tài)。禁止兩個以上的電子在同一時間占據(jù)空間的同一個區(qū)域。簡并壓力——當(dāng)物質(zhì)密度高到一定程度的時候，會有另外一種非熱輻射壓力起到主要作用。在高度壓縮的恒星上，簡并壓力可與引力抗衡。由電子的簡并壓力與引力相平衡而保持穩(wěn)定的恒星是白矮星。由中子的簡并壓力與引力相平衡而保持穩(wěn)定的恒星是中子星。當(dāng)中子的簡并壓力也無法對抗引力時，就再也沒有什么力能抵擋引力，于是黑洞出現(xiàn)了！錢德拉塞卡極限白矮星的質(zhì)量上限約為太陽的1.44倍。當(dāng)質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限時，引力大于電子簡并壓力，星體在幾秒中內(nèi)崩潰塌縮，電子越過泡利不相容原理的屏障，沖入