第1章天文学选讲-§3恒星集团

1、3.1 3.1 双星与聚星双星与聚星 宇宙中恒星往往不是孤立存在的，而是与其他宇宙中恒星往往不是孤立存在的，而是与其他恒星处于某种联系之中。恒星处于某种联系之中。 随着观测方法的改进，原来被认为是单星而后随着观测方法的改进，原来被认为是单星而后来被确证为双星或聚星的恒星越来越多。在太阳附来被确证为双星或聚星的恒星越来越多。在太阳附近几十光年内，大约近几十光年内，大约606070%70%的恒星是双星或聚星的恒星是双星或聚星的成员。的成员。3.1.1 3.1.1 双星双星视双星视双星 从地球上看两颗星的方向接近，实际上相距遥从地球上看两颗星的方向接近，实际上相距遥远，无力学和物理联系。远，无力学和

2、物理联系。物理双星物理双星 两星之间存在力学上的联系，相互环绕转动。两星之间存在力学上的联系，相互环绕转动。其中较亮者称主星，较暗者称伴星。其中较亮者称主星，较暗者称伴星。 但如果一颗是致密星，另一颗是正常恒星，虽但如果一颗是致密星，另一颗是正常恒星，虽然致密星比正常星暗，但不少文献称致密星为主星。然致密星比正常星暗，但不少文献称致密星为主星。3.1.2 3.1.2 双星的重要应用双星的重要应用太阳系外验证万有引力定律太阳系外验证万有引力定律 分析双星的轨道运动，证明开普勒定律对双星分析双星的轨道运动，证明开普勒定律对双星也成立，由此首次在太阳系外验证了万有引力定律。也成立，由此首次在太阳系外

3、验证了万有引力定律。射电脉冲双星测引力波射电脉冲双星测引力波 引力波引力波有质量物体加速运动时发出的引力辐有质量物体加速运动时发出的引力辐射，即以波的形式传播的时空曲率的扰动。类似于加射，即以波的形式传播的时空曲率的扰动。类似于加速运动的电荷会辐射电磁场。频率范围为速运动的电荷会辐射电磁场。频率范围为10-71011Hz，对应波长范围为对应波长范围为1pc3mm。 据估算，银河系内所有双星系统发射的引力波在据估算，银河系内所有双星系统发射的引力波在地球上产生的能流为地球上产生的能流为10-12w/m2，仅相当于所有恒星在，仅相当于所有恒星在可见光波段的能流的可见光波段的能流的10-7倍。若银河

4、系中心存在一质量倍。若银河系中心存在一质量达达105108M 的黑洞，每当它吞食一个的黑洞，每当它吞食一个1M 的恒星的恒星时，引力辐射的能量为时，引力辐射的能量为1038J，在地球上产生的能流为，在地球上产生的能流为10-6w/m2。 射电脉冲双星射电脉冲双星一颗子星是射电脉冲星的双星系统。一颗子星是射电脉冲星的双星系统。根据根据19971997年编辑的脉冲星表，已知脉冲双星年编辑的脉冲星表，已知脉冲双星4646个。个。 1974年年，美国新泽西州普林斯顿大学赫尔斯和小约，美国新泽西州普林斯顿大学赫尔斯和小约瑟夫瑟夫泰勒用阿雷西博天文台的泰勒用阿雷西博天文台的305m口径射电望远镜发口径射电

5、望远镜发现脉冲星现脉冲星PSR1913+16。 该星脉冲周期该星脉冲周期为为59毫秒，即一秒钟自转毫秒，即一秒钟自转17次。次。 进一步观测发现脉冲周期呈进一步观测发现脉冲周期呈7.751939106小时的周期小时的周期性变化，且脉冲周期交替地、平滑地拉长和缩短。由此性变化，且脉冲周期交替地、平滑地拉长和缩短。由此可推断，该星在严格轨道上绕一颗伴星运动，从而引起可推断，该星在严格轨道上绕一颗伴星运动，从而引起多普勒效应。多普勒效应。7.75小时为公转周期。小时为公转周期。 这是人类首次发现脉冲双星系统。这是人类首次发现脉冲双星系统。 该双星间距该双星间距1950100km，即，即2.8 R （

6、太阳半径），（太阳半径），近拱点约近拱点约1.1 R ，远拱点约，远拱点约4.8 R 。轨道偏心率。轨道偏心率0.617131。近拱点公转速度（相对于质心）近拱点公转速度（相对于质心）450km/h，在远拱点时，在远拱点时的公转速度（相对于质心）的公转速度（相对于质心）110km/h。两子星质量相近，。两子星质量相近，为为1.387M 。 未观测到该双星系统的未观测到该双星系统的X射线辐射，表明伴星没有射线辐射，表明伴星没有物质流向脉冲星。再结合双星演化理论等推测，伴星很物质流向脉冲星。再结合双星演化理论等推测，伴星很可能也是中子星，但未必是脉冲星。可能也是中子星，但未必是脉冲星。 经四年约一

7、千次观察后，发现该双星系统的半长经四年约一千次观察后，发现该双星系统的半长轴每年缩短轴每年缩短3.5米，周期每年减少米，周期每年减少76.5微秒。两星约微秒。两星约3亿亿年后将合并。这与广义相对论的预期值相当符合。由此年后将合并。这与广义相对论的预期值相当符合。由此可推断，系统的能量正以引力波的形式流失。可推断，系统的能量正以引力波的形式流失。 两人凭此荣获两人凭此荣获1993年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 1959 1959年，美国马里兰大学教授韦伯首创用铝棒年，美国马里兰大学教授韦伯首创用铝棒“天线天线”检测天体引力辐射的方法。天线为一铝制圆筒检测天体引力辐射的方法。天线为一铝制圆筒

8、，直径，直径0.660.66米、长米、长1.531.53米、重米、重30003000公斤。在圆筒表面中公斤。在圆筒表面中部安装用于位移传感器的压电晶体。引力波通过时，部安装用于位移传感器的压电晶体。引力波通过时，圆筒因应变而有微小震荡，压电晶体产生电压，经放圆筒因应变而有微小震荡，压电晶体产生电压，经放大而记录下来。韦伯等人制造了大而记录下来。韦伯等人制造了6 6台引力波检验器，分台引力波检验器，分别放在不同地点进行长期的检波记载。别放在不同地点进行长期的检波记载。 同年发现各检波器同时记录到一种相同的不规则同年发现各检波器同时记录到一种相同的不规则“扰动扰动”，并排除声学振动、地震、电磁干扰

9、或宇宙，并排除声学振动、地震、电磁干扰或宇宙线干扰原因，故线干扰原因，故“不能排除这就是引力波不能排除这就是引力波”。3.1.3 3.1.3 聚聚 星星 又称多合星，两颗以上的恒星组成的又称多合星，两颗以上的恒星组成的恒星集团。恒星集团。3.2 3.2 星星 团团 在一起绕转的恒星超过十颗时称星团。其成员在一起绕转的恒星超过十颗时称星团。其成员相对周围的场星（星团或星协所在天区中不属于它相对周围的场星（星团或星协所在天区中不属于它们的恒星）常有一个整体运动。们的恒星）常有一个整体运动。 比较稀疏，成员星在十几到几百颗比较稀疏，成员星在十几到几百颗之间，多为年轻恒星。外形不太规则，之间，多为年轻

10、恒星。外形不太规则，直径大多数在直径大多数在3 3至至3030多光年范围内。多光年范围内。3.2.1 3.2.1 疏散星团疏散星团 成员星达几万至千万颗，多为老年恒星。成员星达几万至千万颗，多为老年恒星。形状较规则，呈球形形状较规则，呈球形或扁球形。直径或扁球形。直径15300多光年。平均空间密度比太阳附近恒星多光年。平均空间密度比太阳附近恒星空间密度约大空间密度约大50倍，中心密度约大倍，中心密度约大1000倍。倍。3.2.2 3.2.2 球状星团球状星团确定星团成员星的主要标志确定星团成员星的主要标志 （1 1）相邻的恒星靠得很近，空间运动大）相邻的恒星靠得很近，空间运动大致相同；致相同；

11、 （2 2）它们还作为一个整体在空间运动，）它们还作为一个整体在空间运动，其成员星都具有大致相同的自行。其成员星都具有大致相同的自行。 银河系中球状星团的银面聚集程度小，围绕银心银河系中球状星团的银面聚集程度小，围绕银心（人马座方向）呈球形分布。绝大多数球状星团位于以（人马座方向）呈球形分布。绝大多数球状星团位于以人马座为中心的半个天球上，其中有三分之一就在人马人马座为中心的半个天球上，其中有三分之一就在人马座的天区，而此区面积仅占全天球面积的座的天区，而此区面积仅占全天球面积的2%。由此天。由此天文学家领悟到太阳系远离银河系中心。文学家领悟到太阳系远离银河系中心。 由气体和尘埃组成的云雾状天

12、体。由气体和尘埃组成的云雾状天体。3.3 3.3 星星 云云星云和恒星的转化星云和恒星的转化 星云十分稀薄，主要成分是氢。星云密度超过星云十分稀薄，主要成分是氢。星云密度超过一定限度将在引力作用下收缩，逐渐聚集成团。一一定限度将在引力作用下收缩，逐渐聚集成团。一般认为恒星就是星云在运动过程中，在引力作用下般认为恒星就是星云在运动过程中，在引力作用下收缩、聚集、演化而成的。收缩、聚集、演化而成的。 恒星形成后，又可以把大量抛射物质到星际空恒星形成后，又可以把大量抛射物质到星际空间，成为星云的一部分原材料。所以在一定条件下间，成为星云的一部分原材料。所以在一定条件下星云和恒星可互相转化。星云和恒星

13、可互相转化。 1930 1930年，瑞士年，瑞士- -美国天文学家特朗普勒发现：疏美国天文学家特朗普勒发现：疏散星团越远，直径越大，颜色越偏红。这一现象暗散星团越远，直径越大，颜色越偏红。这一现象暗示，星际空间存在极其稀薄的尘埃物质，在大距离示，星际空间存在极其稀薄的尘埃物质，在大距离范围内可产生星际消光及增红作用。星际消光虽然范围内可产生星际消光及增红作用。星际消光虽然不影响星团角大小的测量，但降低了恒星的视星等，不影响星团角大小的测量，但降低了恒星的视星等，使人误以为是星团离得远，于是夸大了星团的距离使人误以为是星团离得远，于是夸大了星团的距离和线大小。和线大小。 由此可修正银河系的大小，银河系应比原来测由此可修正银河系的大小，银河系应比原来测量的要小。量的要小。3.3 3.3 星际物质星际物质星际物质又称星际介质，星系内恒星与恒星之间星际物质又称星际介质，星系内恒星与恒星之间的物质。包括星云、的物质。包括星云、HH区（氢原子大部分为中性）、区（氢原子大部分为中性）、HH区（氢原子大部分已电离）、球状体（小型而有较区（氢原子大部分已电离）、球状体（小型而有较大密度的球状暗星云，为星云转化为恒星的过渡体）、大密度的球状暗星云，为星云转化为恒星的过渡