天体物理论文.doc

端坐天穹的王者恒星的结构和演化 啊，银河， 仿佛天国的河在缓缓流淌， 又如美人的胴体发着幽光。 我是沿着你流向另一个世界， 还是只能空怀着爱意满腔？ 归劳默阿波里纳瑞自从人类诞生以来，就没有停止过仰望天空。那给予无限光与热的太阳无疑带给人类最多的遐想，它究竟是何摸样？来自何处又将去往何方？又是否会陪我们走尽地老天荒？在这样的猜测中人类逐渐形成了对太阳的依赖与崇拜，19世纪西方宗教研究领域自然神话学派的代表人物麦克斯缪勒(Max Muller)提出，人类所塑造出的最早的神是太阳神，最早的崇拜形式是太阳崇拜。那它究竟是驾着太阳车的赫利乌斯，还是生于熊熊烈火的托纳帝乌，亦或是赐予人类火种的苏里耶？神话故事只是一些绵延千万年带着敬畏的想象，现代科学技术的发展逐渐揭开了太阳的神秘面纱。在茫茫宇宙中，太阳只是一颗非常普通的恒星，与银河中闪耀的亿万颗星星点点并没有什么区别。在广袤浩瀚的繁星世界里，太阳的亮度、大小和物质密度都处于中等水平。只是因为它离地球较近，所以看上去是天空中最大最亮的天体。其它恒星离我们都非常遥远，即使是最近的恒星，也比太阳远27万倍，看上去只是一个闪烁的光点。从太阳出发，我们可以了解恒星的一般结构，找到研究恒星的一般方法，进而揭示恒星诞生和演化的奥秘。 一、离我们最近的恒星太阳 太阳位于银道面之北的猎户座旋臂上，距离银河系中心约30000光年，在银道面以北约26光年， 它一方面绕着银心以每秒250公里的速度旋转，周期大概是2.5亿年，另一方面又相对于周围恒星以每秒19.7公里的速度朝着织女星附近方向运动。太阳也在自转，其在日面赤道带约25天；两极区约为35天。与地球相比，太阳是一个非常巨大的星体，其直径大约是1,392,020公里，相当于地球直径的109倍；质量大约是1.981030千克，相当于地球质量的330,000倍，约占太阳系总质量的99.86%，这样的数据让我们惊叹，以它来命名我们这个星系它当之无愧。1. 基本情况 作为一颗恒星太阳，其总体外观性质是，光度为383亿亿亿瓦，绝对星等为4.8，是一颗黄色G2型矮星，有效温度等于开氏5800度。太阳与在轨道上绕它公转的地球的平均距离为149597870km。按质量计，它的物质构成是71%的氢、26%的氦和少量较重元素。它们都是通过核聚变来释放能量的，根据理论太阳最后核聚变反应产生的物质是铁和铜等金属。2.构造（1）太阳的内部主要可以分为三层：核心区、辐射层和对流层。太阳的核心区域半径是太阳半径的1/4，约为整个太阳质量的一半以上。太阳核心的温度极高，达到1500万，压力也极大，使得由氢聚变为氦的热核反应得以发生，从而释放出极大的能量。这些能量再通过辐射层和对流层中物质的传递，才得以传送到达太阳光球的底部，并通过光球向外辐射出去。太阳中心区的物质密度非常高。每立方厘米可达160克。太阳在自身强大重力吸引下，太阳中心区处于高密度、高温和高压状态。是太阳巨大能量的发源地。 太阳中心区产生的能量的传递主要靠辐射形式。太阳中心区之外就是辐射层，辐射层的范围是从热核中心区顶部的0.25个太阳半径向外到0.71个太阳半径，这里的温度、密度和压力都是从内向外递减。从体积来说，辐射层占整个太阳体积的绝大部分。 太阳内部能量向外传播除辐射，还有对流过程。即从太阳0.71个太阳半径向外到达太阳大气层的底部，这一区间叫对流层。这一层气体性质变化很大，很不稳定，形成明显的上下对流运动。这是太阳内部结构的最外层。（2） 光球光球层位于对流层之外，属太阳大气层中的最低层或最里层。光球的表面是气态的，其平均密度只有水的几亿分之一，但由于它的厚度达500千米，所以光球是不透明的。光球层象一颗颗米粒，称之为米粒组织。它们极不稳定，一般持续时间仅为510分钟，其温度要比光球的平均温度高出300400。目前认为这种米粒组织是光球下面气体的剧烈对流造成的现象。 光球表面另一种著名的活动现象便是太阳黑子。黑子是光球层上的巨大气流旋涡，大多呈现近椭圆形，在明亮的光球背景反衬下显得比较暗黑，但实际上它们的温度高达4000左右，倘若能把黑子单独取出，一个大黑子便可以发出相当于满月的光芒。日面上黑子出现的情况不断变化，这种变化反映了太阳辐射能量的变化。太阳黑子的变化存在复杂的周期现象，平均活动周期为11.2年。（3） 色球在日全食之前和之后的几秒钟，太阳边缘出现明亮的粉红色闪光。这闪光使得光球上面通常是透明的球层色球变成了肉眼可见的层次。它的颜色是由于发射的光谱中H这条红线最长的缘故。由于色球正好紧挨温度极小层之上，其底层的密度随高度增加而非常迅速的减少。色球密度从下到上减少的非常厉害，而且与光球一样，这种陡峭的密度变化是我们了解色球的关键。我们可以把色球看作是湍动和较密的光球顶上的泡沫，它是通过磁场与下面的动力学过程紧密耦合的。据我所知壮丽的明亮气体喷射也是从色球网络处射出的，它向上喷射到大约10000km的高度，然后在25分钟后消失。这些火焰或针状体在太阳边缘的照片中是明显的，因为在那里由于沿视向的针状体相互叠置而显得很密集。因此人们往往用“燃烧的草原”来形容色球。（4） 日冕在色球之外还存在一层太阳大气，它便是日冕。由于日冕的密度更低，观测它也就变的更为困难。传统方法是等待一次日全食，但观测时间极短，现在我们可以运用用太空火箭把日冕仪带到处于地球大部分大气之上的高空的方法来观测它。日冕中的物质也是等离子体，它的密度比色球层更低，而它的温度反比色球层高，可达上百万摄氏度。在日全食时在日面周围看到放射状的非常明亮的银白色光芒即是日冕。日冕并不是静态的，而是在他本身的压力梯度作用下反抗太阳重力而向自由空间膨胀，这样产生的流动称为“太阳风”。它在地球处大约达到400km/s的超声速度，但其密度只有每立方米几个粒子，温度约为105k。3. 生命周期 目前太阳所处的主序星阶段，通过对恒星演化及宇宙年代学模型的计算机模拟，已经历了大约45.7亿年。据研究，45.9亿年前一团氢分子云的迅速坍缩形成了一颗第三代第一星族的金牛T星，即太阳。这颗新生的恒星沿着距银河系中心约27,000光年的近乎圆形轨道运行。 太阳在其主序星阶段已经到了中年期，在这个阶段它核心内部发生的恒星核合成反应将氢聚变为氦。在太阳的核心，每秒能将超过400万吨物质转化为能量，生成中微子和太阳辐射。以这个速度，太阳至今已经将大约100个地球质量的物质转化成了能量。太阳作为主序星的时间大约持续100亿年左右。太阳的质量不足以爆发为超新星。在50亿年后，太阳内的氢消耗殆尽，核心中主要是氦原子，太阳将转变成红巨星，红巨星阶段之后，由热产生的强烈脉动会抛掉太阳的外壳，形成行星状星云。失去外壳后剩下的只有极为炽热的恒星核，它将会成为白矮星，在漫长的时间中慢慢冷却和暗淡下去。这就是中低质量恒星的典型演化过程。 二、恒星的演化1. 恒星的诞生曾经看过一段哈勃望远镜拍摄的星空视频，其中有一部分是关于猎户座星云的，那种美丽与壮阔是震撼心灵的，里面是这样描述的：“这些云中有令人惊奇的事情发生着，这是星球的孵育所，年轻星球中最大的一颗就在孵育所的中央，他们的能量创造出不可思议的雄伟云团，以时速五百万英哩沿着这条巨大的峡谷咆哮这里最大的星球被一群婴儿级的星球围绕着，每个都在各自的茧中孵育着，在每个茧中是一个婴儿级的太阳系”那孕育中的恒星如此像一个个生命，给了我们无尽的想象空间。恒星的诞生也许经历的是这样的一个过程：星际空间充满了气体和尘埃物质，每个原子对其它原子都有引力作用，使气体产生紧缩倾向。通常是气体压力使气体免于坍缩。如同恒星内部也是引力和气体压力相互平衡那样，这里的平衡是完全类似的一种局面。如果现在我们来取一定量的星际气体，并假想把它稍加压缩，那么原子与原子相互靠近，引力增大。但同时气体引力也变大，通常比引力的增长更厉害，使得被我们压缩的气体有膨胀起来而恢复原状。这看似是一种稳定性，可这种稳定性并不那么牢靠。只要同时压缩充分数量的物质，引力就比气体压力增长的更快，气体云就缩小下去。这种倾向只要一开头，本身引力就促使巨量物质的密度同时升高。大约10000倍太阳质量的星际物质一起变为不稳定的。也许这就是为什么人们只是看到年轻星成批出现的原因。在10000倍太阳质量的星际气体与宇宙尘埃物质愈来愈迅猛坍缩的过程中，部分气体可能会形成较小的云团，它们的密度也分别增大。后来，每个云团各自变为一颗恒星。在之后的105106年的阶段中这种原恒星不断收缩，温度逐渐升高，达到几百开时就成为一个可观测的红外源。2. 主序星阶段当原恒星中心的温度达到1000万K左右时，氢核聚变为氦核的热核反应持续不断地发生。由于核反应产生的巨大的辐射能使恒星内部压力增强到足以和引力相抗衡，恒星进入一个相对稳定的时期，这个时期的恒星称为主序星。原恒星与主序星的区别与分界线就是恒星内部是否发生了持续的热核反应。主序星之所以能够长期燃烧，是因为其内部储存着充足的燃料氢。恒星一生的大部分时间都停留在主序星阶段，主序星阶段停留时间的长短与恒星的质量大小有关。质量大的恒星在主序星阶段的时间比较短，因为它燃烧剧烈，燃料消耗得快，但最短的也有几百万年。质量较小的恒星，热核反应速度比较慢，因而它稳定在主序星阶段的时间就比较长，最长的可达10万亿年。太阳属于中等质量的恒星，目前，它正处在主序星这个稳定阶段，这个阶段的时间可长达100亿年。主序阶段是恒星的青壮年期，恒星在这一阶段停留的时间占整个寿命的90%以上。这是一个相对稳定的阶段，向外膨胀和向内收缩的两种力大致平衡，恒星基本上不收缩也不膨胀。3. 走向老年的恒星随着氢的消耗，产能减少，氦在中心区积累，辐射力小于收缩力，外层的重力使氦中心区收缩，温度升高，当温度升至1.2108K时，氦聚变成碳和氧。邻近中心区的氢层点燃，氢燃烧向外蔓延，恒星的外层膨胀，进入后主序阶段。中等质量的恒星演化为红巨星，大质量恒星演化为超巨星。红巨星是恒星燃烧到后期所经历的一个较短的不稳定阶段，根据恒星质量的不同，历时只有数百万年不等，这是恒星几十亿年甚至上百亿年的稳定期相比是非常短暂的。红巨星时期的恒星表面温度相对很低，但极为明亮，因为它们的体积非常巨大。在赫罗图上，红巨星是巨大的非主序星，光谱属于K或M型。之所以被称为红巨星是因为看起来的颜色是红的，体积又很巨大的缘故。4. 恒星的最终归宿恒星将以一次极为壮观的爆炸来了结自己的生命， 把自己的大部分物质抛射向太空中， 重新变为星云，同时释放出巨大的能量。在短短几天内，它的光度有可能将增加几十万倍， 这样的星叫 “新星” 。如果恒星的爆发再猛烈些， 它的光度增加甚至能超过 1 000万倍以至万万倍， 这样的恒星叫做 “超新星” 。这就是天文学中著名的 “超新星爆发” 。恒星经过大量抛射物质后所留下的致密核心可演化成三种不同形态的新星体。理论计算表明 ,如果核心质量小于1.4太阳质量,它可能演化为白矮星；如果核心质量小于2.3太阳质量,它也可能演化为中子星；而核心质量大于3.2太阳质量时 ,它更可能演化为黑洞。（1） 白矮星白矮星是中低质量的恒星的演化路线的终点。在红巨星阶段的末期，恒星的中心会因为温度、压力不足或者核聚变达到铁阶段而停止产生能量（产生比铁还重的元素不能产生能量，而需要吸收能量）。恒星外壳的重力会压缩恒星产生一个高密度的天体。根据白矮星的半径和质量，可以算出它的表面重力等于地球表面的1000万10亿倍。在这样高的压力下，任何物体都已不复存在，连原子都被压碎了：电子脱离了原子轨道变为自由电子。一个典型的稳定独立白矮星具有大约半个太阳质量，比地球略大。这种密度仅次于中子星和夸克星。太阳的最终归宿便是白矮星。（2） 中子星 中子星是恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。中子星保留了母恒星大部分的角动量，但半径只是母恒星极微小的量，转动惯量的减少导致了转速迅速的增加，产生非常高的自转速率，周期从毫秒脉冲星的700分之一秒到30秒都有。中子星最大的特点在于它那巨大的密度，可以达到10的11次方千克/立方厘米， 也就是每立方厘米的质量竟为一亿吨之巨！对比起白矮星的几十吨/立方厘米，后者似乎又不值一提了。 事实上，中子星的质量是如此之大，半径十公里的中子星的质量就与太阳的质量相当了。白矮星与中子星物质存在状态是完全不同的。白矮星的密度虽然大，但还在正常物质结构能达到的最大密度范围内：电子还是电子，原子核还是原子核。而在中子星里，压力是如此之大，白矮星中的简并电子压再也承受不起了：电子被压缩到原子核中，同质子中和为中子，使原子变得仅由中子组成。而整个中子星就是由这样的原子核紧挨在一起形成的。可以这样说，中子星就是一个巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。中子星的质量非常大由于巨大的质量就连光线都是呈抛物线挣脱。 （3） 黑洞黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在自身重力的作用下迅速地收缩，塌陷，发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星体，同时也压缩了内部的空间和时间。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高质量而产生的力量，使得任何靠近它的物体都会被它吸进去。黑洞开始吞噬恒星的外壳，但黑洞并不能吞噬如此多的物质，黑洞会释放一