恒星和星系(讲课使用ppt)

1、太阳太阳自己发光发热自己发光发热 如如 牛郎星牛郎星 织女星织女星地地球球围绕恒星运动围绕恒星运动 如如 火星火星 木星等木星等月球月球围绕行星运动围绕行星运动 如如 木卫二木卫二 哈雷彗星哈雷彗星 周期周期 76年年尘埃、气体尘埃、气体等组成的等组成的云雾状云雾状蝴蝶星云蝴蝶星云仙女座大星云仙女座大星云宇宙飞船宇宙飞船太空实验室太空实验室人造卫星人造卫星 航天飞机是一种垂直起飞、水平降落的载人航天器，它以火箭发动机为动力发射到太空，能在轨道上运行，且可以往返于地球表面和近地轨道之间，可部分重复使用的航天器 美国与前苏联实际成功发射并回收过这种交通工具。(苏联瓦解，相关的设备由哈萨克接收后，受

2、限于没有足够经费维持运作使得整个太空计划停滞，)因此目前仅有美国的航天飞机机队可以实际使用并执行任务。航天飞机航天飞机 恒星：由炽热气体组成的，能够自身发光的球恒星：由炽热气体组成的，能够自身发光的球形或类似球形的天体。形或类似球形的天体。 物质构成：氢和氦物质构成：氢和氦质量大，所以发光；质量大，所以发光；质量大，所以在自引力的作用下形成球形或类似球形；质量大，所以在自引力的作用下形成球形或类似球形；质量大，具有强大的吸引力，能吸引较小质量的天体围绕它运动。质量大，具有强大的吸引力，能吸引较小质量的天体围绕它运动。 “恒恒”星相对于星相对于“行行”星？星？因此它们在天空中的相对位置几乎不动，

3、被称为因此它们在天空中的相对位置几乎不动，被称为“恒星恒星”恒星的运动速度很快，只是由于它们距离地球很远，不易为人们觉察，恒星的运动速度很快，只是由于它们距离地球很远，不易为人们觉察， 太阳：太阳是一颗极普通的恒星像这样的恒星太阳：太阳是一颗极普通的恒星像这样的恒星在银河系中有在银河系中有1011颗，而整个宇宙中大约有颗，而整个宇宙中大约有1022颗在银河系中大约有颗在银河系中大约有10的恒星可能有自己的的恒星可能有自己的行星系统行星系统 在其他星系中，是否有类似地球的行星？是否存在其他星系中，是否有类似地球的行星？是否存在地外生命或类似人类的高等动物？这都是十分在地外生命或类似人类的高等动物

4、？这都是十分诱人的科学之谜诱人的科学之谜太阳 运动速度高达几百公里运动速度高达几百公里/秒秒 空间速度可分为两个分量：空间速度可分为两个分量： 视向速度：远离太阳系视向速度：远离太阳系+ ；接近太阳系接近太阳系- 。 切向速度（自行）：恒星切向速度（自行）：恒星在天球上的位移在天球上的位移 恒星的自行速度，恒星的自行速度，一般都小于每年一般都小于每年0.1，迄，迄今只发现有今只发现有400余颗恒星余颗恒星的自行超过每年的自行超过每年1。自。自行最快的巴纳德星：行最快的巴纳德星：10.3角秒角秒/年年 北斗七星的自行及形北斗七星的自行及形状变化状变化q 为什么发光为什么发光v 恒星演化史上某个阶

5、段的现象；恒星演化史上某个阶段的现象；v 要有巨大的质量。要有巨大的质量。q 恒星的光谱恒星的光谱v 恒星的光谱反映恒星温度的高低；恒星的光谱反映恒星温度的高低；v 光谱中的吸收线和发射线反映恒星化学组成光谱中的吸收线和发射线反映恒星化学组成(化学组成大同小异化学组成大同小异,主要成分是氢约主要成分是氢约90%,其其次是氦，其它元素非常少。次是氦，其它元素非常少。)。二、恒星的发光和光谱恒星的光谱与温度恒星的光谱与温度 水在标准大气压下水在标准大气压下结冰的温度，即摄结冰的温度，即摄氏温度氏温度0，或华氏，或华氏温度温度32F，相当于热，相当于热力学温度力学温度273.16K 开尔文温度，或称

6、开尔文温度，或称绝对温度绝对温度 恒星恒星温度温度红色红色3000k 3000k 黄色黄色6000k6000k白色白色1 1万万-2-2万万k k带蓝色带蓝色3 3万万-10-10万万k k 绝对温度绝对温度T，单位，单位K；摄氏温度摄氏温度t，单位，单位；华氏温度华氏温度F，单位，单位F。换算公式：换算公式：T=t+273t=(F-32)/9 *5F=9Xt/5+32 波的频率要因观测者的相对运动而变化。波的频率要因观测者的相对运动而变化。红移：远离太阳系，波的频率降低，波长变长红移：远离太阳系，波的频率降低，波长变长紫移：接近太阳系，波的频率升高，波长变短。紫移：接近太阳系，波的频率升高，

7、波长变短。q 恒星的亮度：地球上的受光强度恒星的亮度：地球上的受光强度 ，即恒星的，即恒星的明暗程度。亮度等级称为明暗程度。亮度等级称为视星等，视星等，m m。q 恒星的光度：恒星本身的发光强度（本领），恒星的光度：恒星本身的发光强度（本领），光度等级为光度等级为绝对星等，绝对星等，M M。q 通常所说的星等指视星等通常所说的星等指视星等（星等如同风级），（星等如同风级），星等星等越大，恒星亮度越暗。越大，恒星亮度越暗。四、 恒星亮度和光度q 若相邻两星等的亮度比率为R，设6等星亮度为 X 6 X 一等星与六等星亮度差100倍 5 R X R5X/X=100倍 4 R2 X R=2.512 3

8、 R3 X 2 R4 X 1 R5 X星等相差一等，恒星亮度相差星等相差一等，恒星亮度相差2.5122.512倍。倍。星等按星等按等差等差数列增大，亮度成数列增大，亮度成等比等比数列递减。数列递减。星等向更暗和更亮的恒星扩展：星等向更暗和更亮的恒星扩展：2525等暗等暗星，星，满月满月星等为星等为-12.73-12.73，太阳星等，太阳星等- -26.74.26.74. 太阳的亮度是一等星亮度的太阳的亮度是一等星亮度的 (2.512)(2.512)27.7427.74=1300=1300亿倍亿倍。 v 假设有两个恒星,其亮度为E和E0，星等为m和m0。则： E/E0=2.512m-m0两边取对

9、数,且有 lg2.512=0.4，得： lgE0-lgE=0.4(m-m0 ) m-m0=2.5(lgE0- lgE) 如果取零等星(m0=0)的亮度E0=1，则 m=-2.5 lgE v 普森公式，根据恒星的亮度E推算星等m。光源的视亮度与其距离的平方成反比光源的视亮度与其距离的平方成反比距离增加距离增加1 1倍，亮度便减为倍，亮度便减为1/41/4 为了比较不同恒星的光度，必须移到同一为了比较不同恒星的光度，必须移到同一 距离上，这个标准距离为距离上，这个标准距离为1010秒差距，合秒差距，合32.632.6光年；光年； 标准距离标准距离1010秒差距下的恒星亮度称绝对亮秒差距下的恒星亮度

10、称绝对亮度，其星等称绝对星等。度，其星等称绝对星等。 光源的视亮度与其距离平方成反比。光源的视亮度与其距离平方成反比。v 天文学的距离单位：天文学的距离单位： 天文单位；光年；秒差距；天文单位；光年；秒差距； 1 1秒差距秒差距(PC(PC=3.26=3.26光年光年( (lyly) )206 206 265265天文单位（天文单位（AUAU）；）； “天文单位”。它主要用于测量太阳系内天体之间距离， 光年用于测量恒星之间距离。如：离太阳最近的恒星半人马座比邻星与太阳的距离为4.22光年。 实际距离d时的亮度为Em视星等m，10秒差距时的亮度EM和绝对星等M。由公式得： EM/Em=2.512

11、(m-M) 恒星亮度与距离平方成反比，则：EM/Em= d2/102结合两公式有： d2/102 =2.512(m-M) 两边取对数，且有lg2.512=0.4，则：2lgd-2=0.4(m-M ) m-M =5lgd-5M=m+5-5lgd 只要测定恒星的绝对星等，便可求知该星的距离。 d10 Mm d10 Mm d10 MmdmmMM10d绝大多数恒星实际距离大于10秒差距，即绝对星等大于视星等；太阳绝对星等为4.75等，视星等为-26.74。M=m+5-5lgd 单星：单个存在的恒星。单星：单个存在的恒星。 双星：成双成对出现的恒星。（在已知恒星中占双星：成双成对出现的恒星。（在已知恒星

12、中占1/31/3） 星团：星团是指恒星数目超过星团：星团是指恒星数目超过1010颗以上，并且相颗以上，并且相互之间存在物理联系（引力作用）的星群。互之间存在物理联系（引力作用）的星群。 光学双星：在天球上位置很靠近，无物理联系，光学双星：在天球上位置很靠近，无物理联系，视双星或假双星。视双星或假双星。 物理双星：空间距离接近，且由于相互吸引而相物理双星：空间距离接近，且由于相互吸引而相互掩蔽，发生亮度变化，食双星。互掩蔽，发生亮度变化，食双星。 组成双星的两颗恒星都称为双星的子星。组成双星的两颗恒星都称为双星的子星。 其中较亮的一颗，称为主星；较暗的一颗，其中较亮的一颗，称为主星；较暗的一颗，

13、称为伴星。称为伴星。 主星和伴星亮度有的相差不大，有的相差很主星和伴星亮度有的相差不大，有的相差很大。大。物理双星物理双星 星团是由于物理上的原因聚集在一起并受引力作星团是由于物理上的原因聚集在一起并受引力作用束缚的一群恒星。用束缚的一群恒星。 星团按形态和成员星的数量等特征分为两类星团按形态和成员星的数量等特征分为两类: :疏散疏散星团和球状星团星团和球状星团. . 由十几颗到几千颗恒星组成的，结构松散，形状由十几颗到几千颗恒星组成的，结构松散，形状不规则的星团称为疏散星团；不规则的星团称为疏散星团； 由数十万颗恒星聚集而成，且结构呈球状对称分由数十万颗恒星聚集而成，且结构呈球状对称分布的为

14、球状星团。布的为球状星团。 疏散星团和球状星团疏散星团和球状星团. . 变星是指亮度有起伏变化的恒星。变星是指亮度有起伏变化的恒星。 引起恒星亮度变化的原因有几何的原因引起恒星亮度变化的原因有几何的原因( (如交食如交食, ,屏遮屏遮) )和物理的原因和物理的原因( (如脉动，爆发如脉动，爆发) )以及两者都兼以及两者都兼有。有。 变星变星 1、几何变星：食变星（、几何变星：食变星（食双星）食双星） 2、物理变星、物理变星 脉动变星脉动变星 爆发变星爆发变星 新星新星 超新星超新星 脉动变星使星体程度不同地发生有节奏的大规模脉动变星使星体程度不同地发生有节奏的大规模运动的恒星。这种运动最简单的

15、形式是半径周期运动的恒星。这种运动最简单的形式是半径周期性地增大和缩小。在半径变化的同时，光度、温性地增大和缩小。在半径变化的同时，光度、温度等也随之发生变化。度等也随之发生变化。 爆发变星是一种亮度突然激烈增强的变星。造成爆发变星是一种亮度突然激烈增强的变星。造成这类变星光度变化的原因是星体本身的爆发。这类变星光度变化的原因是星体本身的爆发。 新星是亮度在短时间内（几小时至几天）突然剧新星是亮度在短时间内（几小时至几天）突然剧增，然后缓慢减弱的一类变星，星等增加的幅度增，然后缓慢减弱的一类变星，星等增加的幅度多数在多数在9 9等到等到1414等之间。等之间。由于新星在发亮之前一般都很暗，甚至

16、由于新星在发亮之前一般都很暗，甚至用大望远镜也看不到，而一旦发亮后，有的用肉眼就能看到，因此在历史上用大望远镜也看不到，而一旦发亮后，有的用肉眼就能看到，因此在历史上被称为被称为“新星新星”。新星不是新产生的恒星。新星不是新产生的恒星。 超新星是爆发规模更大的变星，亮度的增幅为新超新星是爆发规模更大的变星，亮度的增幅为新星的数百至数千倍（相当于再增加星的数百至数千倍（相当于再增加6 6至至9 9个星等）。个星等）。超新星是恒星所能经历的规模最大的灾难性爆发超新星是恒星所能经历的规模最大的灾难性爆发. .光谱光谱- -光度图通常也光度图通常也叫赫罗图。它以恒叫赫罗图。它以恒星的光谱型（或温星的光

17、谱型（或温度）为横坐标，以度）为横坐标，以它的光度（或绝对它的光度（或绝对星等）为纵坐标，星等）为纵坐标，每颗恒星按照各自每颗恒星按照各自的光谱型和光度，的光谱型和光度，在图上占有一定的在图上占有一定的位置。太阳位于主位置。太阳位于主星序的中部，可见星序的中部，可见它是一颗很典型的它是一颗很典型的恒星。恒星。巨星、超巨星、白矮星赫罗图表示恒星温度或颜色与光度之间关系的图。赫罗图表示恒星温度或颜色与光度之间关系的图。从图可以看出：绝大多数恒星位于从左上方到右下从图可以看出：绝大多数恒星位于从左上方到右下方的对角线窄带内，这条带常称为主星序，其中的方的对角线窄带内，这条带常称为主星序，其中的恒星称

18、为主序星，它们占恒星总数的（恒星称为主序星，它们占恒星总数的（80-9080-90）% %。太阳便处在主序带上。太阳便处在主序带上。 红巨星，指体积大，温度低，发出的光偏红的恒红巨星，指体积大，温度低，发出的光偏红的恒星。星。虽然温度低，可体积是如此之大，光度很大，虽然温度低，可体积是如此之大，光度很大，极为明亮。极为明亮。 白矮星，颜色呈白色、体积矮小、温度极高的恒白矮星，颜色呈白色、体积矮小、温度极高的恒星。它的体积小、亮度低。星。它的体积小、亮度低。 两者质量相似，体积悬殊，所以密度差异极大。两者质量相似，体积悬殊，所以密度差异极大。恒星大小的比较恒星大小的比较 中子星，是由中子组成的恒

19、星。中子星，是由中子组成的恒星。 是恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，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。可能成为的少数终点之一。 是除黑洞外密度最大的星体。是除黑洞外密度最大的星体。（中子星的质量极大，一个中子化的火柴盒大小的物质，需要中子星的质量极大，一个中子化的火柴盒大小的物质，需要9600096000个火车头个火车头才能拉动！才能拉动！ ） 中子星并不是恒星的最终状态，它还要进一步演化。由于中子星并不是恒星的最终状态，它还要进一步演化。由于它温度很高，能量消耗也很快，因此，它的寿命只有几亿它温度很高，能量消耗也很快，因此，它的寿命只有

20、几亿年。当它的能量消耗完以后，中子星将变成不发光的黑矮年。当它的能量消耗完以后，中子星将变成不发光的黑矮星。星。 脉冲星，就是变星的一种。脉冲星，就是变星的一种。 脉冲星的自转周期非常小，最长的也不过脉冲星的自转周期非常小，最长的也不过4.34.3秒，有短到秒，有短到0.00140.0014秒，要达到这个速度，只有中子星，秒，要达到这个速度，只有中子星， 指高速旋转的中子星，是快速自转的中子星指高速旋转的中子星，是快速自转的中子星 。 脉冲星被认为是脉冲星被认为是“死亡之星死亡之星”，是恒星在超新星阶段爆发，是恒星在超新星阶段爆发后的产物。超新星爆发之后，就只剩下了一个后的产物。超新星爆发之后

21、，就只剩下了一个“核核”，仅，仅有几十公里大小，它的旋转速度很快，有的甚至可以达到有几十公里大小，它的旋转速度很快，有的甚至可以达到每秒每秒714714圈。圈。 （1 1）脉冲星无例外地都是很小的，小得出奇。它的典型直径只有）脉冲星无例外地都是很小的，小得出奇。它的典型直径只有1010公里，公里，（2 2）脉冲周期都非常之短，短到简直难以想象的程度。）脉冲周期都非常之短，短到简直难以想象的程度。（3 3）密度大得惊人。）密度大得惊人。1 1立方厘米可重立方厘米可重1 1亿吨以上、甚至达到亿吨以上、甚至达到1010亿吨。亿吨。（4 4）温度高得惊人。表面温度就可以达到）温度高得惊人。表面温度就可

22、以达到10001000万度，中心还要高数万度，中心还要高数百万倍，太阳表面温度百万倍，太阳表面温度60006000摄氏度不到。摄氏度不到。（5 5）压力大得惊人。）压力大得惊人。（6 6）特别强的辐射。）特别强的辐射。（7 7）特别强的磁场。在地球上，地球磁极的磁场强度最大，但也只）特别强的磁场。在地球上，地球磁极的磁场强度最大，但也只有有0 07 7高斯。脉冲星表面极区的磁场强度就高达高斯。脉冲星表面极区的磁场强度就高达1000010000亿高斯，甚至亿高斯，甚至2020万亿高斯。万亿高斯。六、 恒星的演化发生发生 发展发展 衰亡衰亡 转化转化q 恒星是由星云凝聚而成。弥漫星云在自引力的作用

23、下，收缩成比较密集的气体引力势能转化为热能，内部温度升高并辐射能量向赫罗图上某个主序位置移动。质量愈大，收缩愈快，达到主序的位置愈高（温度高，光度大）。q 恒星“移到”主序后，内部温度高到足以发生热核反应的程度热核反应代替引力收缩成为主要能源温度升高，热运动加快，恒星膨胀，排斥力足以同引力相抗衡恒星停止收缩，长期稳定依靠热核反应进行辐射。q 一颗恒星在主序中的时间，占去其“生命” 的大半辈子；且在主序上逗留的时间，取决于其质量的大小质量愈大,引力愈强它必须维持较高的温度和较久的辐射功率以与引力收缩抗衡它的氢燃料消耗更快，寿命更短。q 热核反应是在恒星的中心区域进行的，那里的氢核燃料最先燃尽，逐

24、渐形成一个由氦组成的核，停止释放能量。氢燃料的逐渐枯竭，是恒星在结构上逐渐发生变化的前奏。q 随着氦核的不断增大，其引力收缩急剧增强，并释放大量能量。结果，恒星的核心收缩（变得愈来愈致密和炽热），外层膨胀（温度降低而光度增大），成为一个非常巨大的具有“热”核的“冷”星。从而恒星离开主星序，进入红巨星区域生命的“晚年”。q 在红巨星阶段，恒星的演化速度大大加快。中心区域的温度和密度因收缩而继续升高，到1亿摄氏度时开始进行由氦核聚为碳核的新一轮热核反应；氦烧完后，温度继续因收缩而升高，原子核再聚变产生更重的元素能量有限，到了“垂暮之年”，一旦核反应终止，对引力的抗衡全线崩溃自行坍塌。q 红巨星收缩

25、时，核心部分收缩最猛烈，外部处在较弱的引力下。核心温度因猛烈收缩而急剧上升，由此掀起的热浪会把外层气壳抛掉，剩下一颗致密和炽热的白矮星以后逐渐变冷，变成又小又暗的黑矮星终其一生。q 并非所有恒星都经历如此“平静”的演化道路。q 那些质量和体积特别巨大的恒星，演化的最后阶段会发生爆炸超新星爆发。如留下“残骸”的质量足够大（1.43.2倍太阳质量），便会“一落千丈”地坍塌为中子星（于1967年发现，1978年发现了300颗以上）。q 恒星在核能耗尽后，如质量仍超过2倍的太阳质量，则平衡态不再存在，星体将无限收缩。连核力也将在引力作用前面低下头来，中子也会坍塌，形成所谓的“黑洞”。q 目前没有密度大

26、于1015克/厘米3的物质的实验数据，无法推测星体的具体结构，但根据理论可以推断：星体的半径将愈来愈小，密度将愈来愈大，终于达到临界点引力之大足以使一切粒子、包括光子，都不能外逸，因而谓之黑洞。 星系：大量恒星、双星、星团组成的天体系统星系：大量恒星、双星、星团组成的天体系统叫星系。叫星系。目前已观测到的星系有目前已观测到的星系有1010亿个，银河系仅是亿个，银河系仅是其中之一。除了银河系外的其他星系总称为河其中之一。除了银河系外的其他星系总称为河外星系。外星系。q 同一事物的两个不同现象同一事物的两个不同现象v 银河系是以银河命名的星系（形似圆盘）；银河系是以银河命名的星系（形似圆盘）；v

27、银河是银河系主体在天球上的投影（环天光银河是银河系主体在天球上的投影（环天光带）。带）。q 银河系总质量：大约是太阳质量的银河系总质量：大约是太阳质量的14001400亿倍；亿倍；v 星数：星数：1 12 2千亿颗。千亿颗。一、 银河与银河系q 银河系结构银河系结构v 银河系主体：银河系主体：圆盘体（直径约圆盘体（直径约8 8万光年）和银万光年）和银晕；晕；v 圆盘体：核球和银盘圆盘体：核球和银盘；v 核球中心：银核；核球中心：银核；v 银核中心：银心。银核中心：银心。银河系银河系结构侧视图银河系结构侧视图图中红点代表太阳图中红点代表太阳“铁饼状铁饼状”直径约直径约8万光万光年年其中有其中有2

28、000多亿颗恒星多亿颗恒星q 位于银道面附近。银河为周天的环带。位于银道面附近。银河为周天的环带。二、二、 太阳在银河系中的位置和运动太阳在银河系中的位置和运动 太阳在银河系内偏距银盘的一侧，向银心所在方太阳在银河系内偏距银盘的一侧，向银心所在方向，太阳距银盘边缘约向，太阳距银盘边缘约6.46.4万光年；向银心相反方万光年；向银心相反方向，太阳距银盘边缘约向，太阳距银盘边缘约1.61.6万光年。万光年。 银河两半圈明暗程度不同。银河两半圈明暗程度不同。q 河外星系河外星系q 星系群星系群q 星系团星系团q 总星系总星系三、 河外星系河外星系河外星系: :银河系以外的星系。银河系以外的星系。由大

29、量恒星组成，但因距离遥远，在外表上都表现为由大量恒星组成，但因距离遥远，在外表上都表现为模糊的光点，因而旧称模糊的光点，因而旧称“河外星云河外星云”。 目前观测到的河外星系约目前观测到的河外星系约12501250亿多个。亿多个。按外形可分为：旋涡星系、椭圆星系、不规则星系按外形可分为：旋涡星系、椭圆星系、不规则星系 星系一般不单独存在，有成团的倾向。星系在自星系一般不单独存在，有成团的倾向。星系在自成独立系统的同时，以一个成员星系的身份参加成独立系统的同时，以一个成员星系的身份参加星系团的活动。超过星系团的活动。超过100100个星系的天体系统称作个星系的天体系统称作“星系团星系团”，100100个以下的称为个以下的称为“星系群星系群”。 银河系便属于一个以它为中心的星系群，称本星银河系便属于一个以它为中心的星系群，称本星系群，它包括系群，它包括仙女星系仙女星系、麦哲伦星云和三角星系、麦哲伦星云和三角星系等约等约4040个星系。个星系。 仙女座星系蝌蚪星系距离我们4亿光年天体系统的级别天体系统的级别总星系总星系银河系银河系河外星系河外星系太阳系太阳系其他恒星系统其他恒星系统地月系地月系其他行星系统其他行星系统地球地球月球月球q 哲学宇宙v 宇宙无限；v 空间无限：无边无际（无边界，形状和中心）；v