恒星系统及其演化、星系

1、第第6讲：恒星系统及其演化、星系讲：恒星系统及其演化、星系 天空最亮的恒星：天空最亮的恒星：天狼星天狼星（大犬座（大犬座星，双星，星，双星，1.46） 天空最亮的天空最亮的 星：星：金星（维纳斯、启明、长庚，金星（维纳斯、启明、长庚，4.4） 离太阳系最近的恒星离太阳系最近的恒星比邻星比邻星（半人马座，南门二，（半人马座，南门二，0，三合，三合星，星，42光年）光年） 离太阳系最近的离太阳系最近的10颗恒星颗恒星1 1、半人马座、半人马座星南门二星南门二（CenCen）4.224.22光年光年2 2、蛇夫座、蛇夫座巴纳德星巴纳德星（BarnardsBarnards）6.06.0光年光年3 3、

2、伍尔夫星群、伍尔夫星群359359星星（Wolf359Wolf359）7.77.7光年光年4 4、勃兰得、勃兰得21472147星星（BD+36BD+36）8.28.2光年光年5 5、鲸鱼座、鲸鱼座uvuv星星（Luyten726-8Luyten726-8）8.48.4光年光年6 6、大犬座、大犬座星天狼星星天狼星（SiriusSirius）8.78.7光年光年7 7、罗斯、罗斯154154星星（Ross 154Ross 154）9.59.5光年光年8 8、罗斯、罗斯248248星星（Ross 248Ross 248）10.410.4光年光年9 9、波江座、波江座diadia星星（EriEri

3、）10.810.8光年光年1010、罗斯、罗斯128128星星（Ross 128Ross 128）10.910.9光年光年 全天肉眼可见恒星全天肉眼可见恒星69006900多颗。多颗。北天为北天为30003000多颗。多颗。 最亮的最亮的20颗恒星颗恒星1.1.天狼星天狼星 大犬座大犬座星星 -1.46-1.462.2.老人星老人星 船底座船底座星星 -0.72-0.723.3.南门二南门二 半人马座半人马座星星 -0.27-0.274.4.大角星大角星 牧夫座牧夫座星星 -0.04-0.045.5.织女一（织女星）织女一（织女星） 天琴座天琴座星星 0.030.036.6.五车二五车二 御夫

4、座御夫座星星 0.080.087.7.参宿七参宿七 猎户座猎户座星星 0.120.128.8.南河三南河三 小犬座小犬座星星 0.380.389.9.水委一水委一 波江座波江座星星 0.460.4610.10.参宿四参宿四 猎户座猎户座星星 0.580.58 最亮的最亮的20颗恒星颗恒星11.11.马腹一马腹一 半人马座半人马座星星 0.610.6112.12.河鼓二（牛郎星）河鼓二（牛郎星） 天鹰座天鹰座星星 0.770.7713.13.毕宿五毕宿五 金牛座金牛座星星 0.85 0.85 14.14.心宿二心宿二 天蝎座天蝎座星星 0.960.9615.15.角宿一角宿一 室女座室女座星星

5、0.970.9716.16.北河三北河三 双子座双子座星星 1.141.1417.17.北落师门北落师门 南鱼座南鱼座星星 1.161.1618.18.十字架三十字架三 南十字座南十字座星星 1.251.2519.19.天津四天津四 天鹅座天鹅座星星 1.251.2520.20.轩辕十四轩辕十四 狮子座狮子座星星 1.351.35恒星的一般性质恒星的一般性质 恒星的概念恒星的概念:恒星与行星不同恒星与行星不同,它们的位置看它们的位置看来固定不变，因而古人称之为来固定不变，因而古人称之为“恒恒”星，即固定星，即固定不动的星。不动的星。 一般来说，恒星都是气体球，没有固态表一般来说，恒星都是气体球

6、，没有固态表面，通过自身引力聚集而成。它区别于行星的一面，通过自身引力聚集而成。它区别于行星的一个重要性质是它自己能够强烈发光。个重要性质是它自己能够强烈发光。(太阳是一太阳是一颗恒星。颗恒星。)恒星的距离和光度恒星的距离和光度天文学上的距离单位天文学上的距离单位: : 天文单位天文单位: :即日地平均距离，为即日地平均距离，为1AU=1495978701AU=149597870千米千米=1.5813=1.5813* *10105 51.y.1.y. 光年光年: :光在一年中走过的距离，光在一年中走过的距离，l.y.=0.946053l.y.=0.94605310101616米。米。1 1光年

7、光年=63240=63240天文单位。天文单位。 秒差距秒差距: :周年视差为周年视差为11对应的距离，对应的距离，1pc=3.085681pc=3.0856810101616米。米。1 1 秒差距秒差距=3.26=3.26光年光年=206265=206265天天文单位。文单位。 除太阳外，距离我们最近的恒星叫比邻星，除太阳外，距离我们最近的恒星叫比邻星，（半人马座（半人马座）距离为）距离为4.27l.y.4.27l.y.秒差距秒差距恒星视差恒星视差： 最常使用周年视差来测量最常使用周年视差来测量秒差距秒差距 视差视差 Sin= Sin=日地距离日地距离/ /日日恒距离恒距离 秒差距秒差距当阿

8、尔法当阿尔法=1=1时，日恒时，日恒的距离成为一个秒差距。的距离成为一个秒差距。1PC206265AU1PC206265AU恒星的距离和光度恒星的距离和光度恒星的光度、照度和星等恒星的光度、照度和星等 光度：光度：光度为恒星的能量发射率，即整个星面每光度为恒星的能量发射率，即整个星面每秒释放的能量。秒释放的能量。 照度：照度：对于接受天体辐射的人眼或仪器来说，单对于接受天体辐射的人眼或仪器来说，单位时间入射到其单位面积的能量。位时间入射到其单位面积的能量。 亮度：亮度：我们看起来恒星的明亮程度。实际上就是我们看起来恒星的明亮程度。实际上就是照度。照度。 星等：星等：把星等跟光度计测出的亮度作比

9、较，发现把星等跟光度计测出的亮度作比较，发现星等相差星等相差5 5等，亮度之比约为等，亮度之比约为100100。 星等系统：星等系统：目视星等、照相星等、光电星等。目视星等、照相星等、光电星等。恒星的大小和质量恒星的大小和质量恒星大小的测量方法：恒星大小的测量方法：干涉法，月掩星法，对食干涉法，月掩星法，对食双星法双星法观测结果：观测结果：恒星的直径相差很大，大的有太阳直恒星的直径相差很大，大的有太阳直径的几百倍甚至一两千倍，小的只有不到太阳直径径的几百倍甚至一两千倍，小的只有不到太阳直径的十分之一。的十分之一。恒星的质量比较难以测定。恒星的质量比较难以测定。恒星的光斑干涉图像恒星的光斑干涉图

10、像恒星的大小和质量恒星的大小和质量什么是光谱？什么是光谱？恒星的光谱恒星的光谱 最常用的恒星光谱分类系统是美国哈佛大最常用的恒星光谱分类系统是美国哈佛大学天文台于学天文台于1919世纪末提出的，称为哈佛系统。世纪末提出的，称为哈佛系统。恒星的光谱分类恒星的光谱分类 M M、K K、G G、F F、A A、B B、O O型恒星的颜色依次为红色、型恒星的颜色依次为红色、红橙色、黄色、黄白色、白色、蓝白色、蓝色。红橙色、黄色、黄白色、白色、蓝白色、蓝色。 恒星的光谱及分类恒星的光谱及分类恒星光谱的分类。恒星光谱的分类。 O O型：型：蓝星，有效温度蓝星，有效温度4000030000K40000300

11、00K。 B B型：型：蓝白星，有效温度蓝白星，有效温度3000010000K3000010000K A A型：型：白星，有效温度白星，有效温度100007500K100007500K F F型：型：黄白星，有效温度黄白星，有效温度75006000K75006000K G G型：型：黄星，有效温度黄星，有效温度60005000K60005000K K K型：型：红橙星，有效温度红橙星，有效温度50003500K50003500K M M型：型：红星，有效温度红星，有效温度35002500K35002500K恒星的光谱恒星的光谱Oh Be A Fine Guy/Girl Kiss Me.恒星的光

12、谱恒星的光谱 20世纪世纪40年代，美国天文学家年代，美国天文学家W.W.摩根和摩根和P.C.基基南等提出一个二元分类系统，称为摩根南等提出一个二元分类系统，称为摩根 -基南系统（基南系统（MK系统）。系统）。 MK系统仍采用哈佛系统的光谱型，但增加了光度型。系统仍采用哈佛系统的光谱型，但增加了光度型。光谱型仍用哈佛系统的符号。光谱型仍用哈佛系统的符号。 光度型分为光度型分为7级：级：I超巨星，超巨星，亮巨星，亮巨星，巨星，巨星， 亚巨星，亚巨星， 主序星（矮星），主序星（矮星），亚矮星，亚矮星，白矮星。白矮星。 按照按照MK系统，太阳为系统，太阳为G2V型星，表明太阳的光谱型型星，表明太阳的

13、光谱型是是G2，且是一颗主序星（矮星）。，且是一颗主序星（矮星）。 什么是赫罗图？什么是赫罗图？ 丹麦科学家赫茨普龙丹麦科学家赫茨普龙(E.Hertzsprung)(E.Hertzsprung)于于19111911年，年，美国天文学家罗素（美国天文学家罗素（H.N.RussellH.N.Russell）于）于19131913年，分别年，分别独立的绘制了独立的绘制了恒星的光谱恒星的光谱光度图光度图。 恒星的结构。恒星的结构。赫罗图和恒星的结构赫罗图和恒星的结构赫赫罗图罗图恒星的光谱光度图恒星的光谱光度图赫赫罗图罗图 赫罗图是恒星赫罗图是恒星的光谱类型与光度的光谱类型与光度之关系图，赫罗图之关系图

14、，赫罗图的纵轴是光度与绝的纵轴是光度与绝对星等，而横轴则对星等，而横轴则是光谱类型及恒星是光谱类型及恒星的表面温度，从左的表面温度，从左向右递减。向右递减。恒星的光谱光度图恒星的光谱光度图赫赫罗图罗图 主星序表明，大多数恒星，表面温度高，光度也大；主星序表明，大多数恒星，表面温度高，光度也大；表面温度降低，表面温度降低， 则光度随之减小。则光度随之减小。 右上方的星右上方的星，光度很大，但表面温度却不高，呈红光度很大，但表面温度却不高，呈红色，这表明它们的体积十分巨大，所以叫红巨星色，这表明它们的体积十分巨大，所以叫红巨星/超巨超巨星星。 左下方左下方的的星星，表面温度很高，呈蓝白色，光度却很

15、表面温度很高，呈蓝白色，光度却很小，这表明它们的体积很小，所以叫白矮星。小，这表明它们的体积很小，所以叫白矮星。 恒星的化学成分通过恒星的化学成分通过恒星的光谱分析方法恒星的光谱分析方法得到。得到。 太阳的化学成分：太阳的化学成分：已证认出存在的元素已证认出存在的元素6969种，这种，这些元素的含量相差悬殊。按质量而言，氢些元素的含量相差悬殊。按质量而言，氢78.4%78.4%、氦、氦19.8% 19.8% 、氧、氧0.8% 0.8% 、碳、碳0.3% 0.3% 、氮、氮0.2% 0.2% 、氖、氖0.2% 0.2% 、镍、镍0.2% 0.2% 、硅、硅0.06% 0.06% 、硫、硫0.04

16、% 0.04% 、铁、铁0.04% 0.04% 、镁、镁0.015% 0.015% 、钙钙0.009%0.009% 大多数恒星的化学成分同太阳差不多。大多数恒星的化学成分同太阳差不多。少数恒星少数恒星的化学成分是特殊的。例如：在碳型星中，碳元素特的化学成分是特殊的。例如：在碳型星中，碳元素特别多。在别多。在S S型星中，锆和锝元素特别多。型星中，锆和锝元素特别多。恒星的化学成分恒星的化学成分 多普勒效应：波长因为波源和观测者的相对运动而变多普勒效应：波长因为波源和观测者的相对运动而变化。化。恒恒星星的的运运动动 在运动的波源前面，波被压缩，波长变短，频率变高在运动的波源前面，波被压缩，波长变短

17、，频率变高（蓝移）；在运动的波源后面，波长变长，频率变低（红（蓝移）；在运动的波源后面，波长变长，频率变低（红移）；波源的速度越高，所产生的效应越大。移）；波源的速度越高，所产生的效应越大。 根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。方向运动的速度。恒星的形成与演化恒星的形成与演化 第第1 1阶段：诞生阶段：诞生 恒星的形成，超过一定质量的星云，在受到外部恒星的形成，超过一定质量的星云，在受到外部的某种扰动，会产生不稳定性，从而引起收缩。收缩的某种扰动，会产生不稳定性，从而引起收缩。收缩过程的星云可能会分裂成一些碎块。过程的星云

18、可能会分裂成一些碎块。 原恒星原恒星 质量非常小（小于质量非常小（小于0.080.08太阳质量）的原始星的温太阳质量）的原始星的温度不会到达足够开始核聚变的程度，它们会成为褐矮度不会到达足够开始核聚变的程度，它们会成为褐矮星，在数亿年的时光中慢慢变凉。星，在数亿年的时光中慢慢变凉。第第2 2阶段：主序星阶段：主序星恒星的形成与演化恒星的形成与演化 大部分的质量更高的原始星的中心温度会达到一大部分的质量更高的原始星的中心温度会达到一千万开氏度，这时氢会开始聚变成氦，恒星开始自行千万开氏度，这时氢会开始聚变成氦，恒星开始自行发光。核心的核聚变会产生足够的能量停止引力坍缩，发光。核心的核聚变会产生足

19、够的能量停止引力坍缩，达到一个静态平衡。恒星从此进入一个相对稳定的阶达到一个静态平衡。恒星从此进入一个相对稳定的阶段。段。 在形成几百万到几千亿年之后，恒星在形成几百万到几千亿年之后，恒星会消耗完核心中的氢。大质量的恒星会比小会消耗完核心中的氢。大质量的恒星会比小质量的恒星更快消耗完核心的氢。在消耗完核心中的氢之质量的恒星更快消耗完核心的氢。在消耗完核心中的氢之后，核心部分的核反应会停止，而留下一个氦核。后，核心部分的核反应会停止，而留下一个氦核。恒星的形成与演化恒星的形成与演化 失去了抵抗重力的核反应能量之后，恒星的外壳开失去了抵抗重力的核反应能量之后，恒星的外壳开始引力坍缩。核心的温度和压

20、力像恒星形成过程中一样升始引力坍缩。核心的温度和压力像恒星形成过程中一样升高，但是在一个更高的层次上。一旦核心的温度达到了高，但是在一个更高的层次上。一旦核心的温度达到了1亿开氏度，核心就开始进行氦聚变，重新通过核聚变产生亿开氏度，核心就开始进行氦聚变，重新通过核聚变产生能量来抵抗引力。恒星质量不足以产生氦聚变的会释放热能量来抵抗引力。恒星质量不足以产生氦聚变的会释放热能，逐渐冷却，成为白矮星。能，逐渐冷却，成为白矮星。第第3 3阶段：红巨星阶段：红巨星 积热的核心会造成恒星大幅膨胀，达到在其主星序积热的核心会造成恒星大幅膨胀，达到在其主星序阶段的数百倍大小，成为红巨星。红巨星阶段会持续数百阶

21、段的数百倍大小，成为红巨星。红巨星阶段会持续数百万年，但是大部分红巨星都是变星，不如主序星稳定。万年，但是大部分红巨星都是变星，不如主序星稳定。恒星的形成与演化恒星的形成与演化 50亿年后的太阳亿年后的太阳恒星的形成与演化恒星的形成与演化 第第4 4阶段：白矮星，中子星，黑洞。阶段：白矮星，中子星，黑洞。低质量恒星低质量恒星 红矮星红矮星比邻星比邻星 小于小于0.50.5倍太阳质量的恒星甚至在氢耗尽之后都倍太阳质量的恒星甚至在氢耗尽之后都不会在核心产生氦反应。像比邻星这样的红矮星的寿不会在核心产生氦反应。像比邻星这样的红矮星的寿命长达数千亿年，在核心的反应终止之后，红矮星在命长达数千亿年，在核

22、心的反应终止之后，红矮星在电磁波的红外线和微波波段逐渐暗淡下去。电磁波的红外线和微波波段逐渐暗淡下去。中质量恒星中质量恒星 行星状星云行星状星云 达到红巨星阶段时，达到红巨星阶段时，0.40.4到到3.43.4太阳质量的恒星的太阳质量的恒星的外壳会向外膨胀，而核心向内压缩，产生将氦聚变成外壳会向外膨胀，而核心向内压缩，产生将氦聚变成碳的核反应。聚变会重新产生能量，暂时缓解恒星的碳的核反应。聚变会重新产生能量，暂时缓解恒星的死亡过程。对于太阳大小的恒星，此过程大约持续十死亡过程。对于太阳大小的恒星，此过程大约持续十亿年。亿年。氦燃烧对温度极其敏感，造成很大的不稳定。巨大的氦燃烧对温度极其敏感，造

23、成很大的不稳定。巨大的波动会使得外壳获得足够的动能脱离恒星，成为行星波动会使得外壳获得足够的动能脱离恒星，成为行星状星云。行星状星云中心留下的核心会逐渐冷却，成状星云。行星状星云中心留下的核心会逐渐冷却，成为小而致密的白矮星，通常具有为小而致密的白矮星，通常具有0.60.6倍太阳质量，但倍太阳质量，但是只有一个地球大小。是只有一个地球大小。中质量恒星中质量恒星 行星状星云行星状星云 在重力和电子互斥力平衡时，白矮星是相对稳定在重力和电子互斥力平衡时，白矮星是相对稳定的。在没有能量来源的情况下，恒星在漫长的岁月中的。在没有能量来源的情况下，恒星在漫长的岁月中释放出剩余的能量，逐渐暗淡下去。最终，

24、释放完能释放出剩余的能量，逐渐暗淡下去。最终，释放完能量的白矮星会成为黑矮星，量的白矮星会成为黑矮星，中质量恒星中质量恒星 行星状星云行星状星云中质量恒星中质量恒星 行星状星云行星状星云中质量恒星中质量恒星 白矮星白矮星中质量恒星中质量恒星 白矮星白矮星中质量恒星中质量恒星 黑矮星黑矮星大质量恒星大质量恒星 超新星爆发超新星爆发 在超出在超出5 5倍太阳质量的恒星的外壳膨胀成为红超倍太阳质量的恒星的外壳膨胀成为红超巨星之后，其核心开始被重力压缩，温度和密度的上巨星之后，其核心开始被重力压缩，温度和密度的上升会触发一系列聚变反应。这些聚变反应会生成越来升会触发一系列聚变反应。这些聚变反应会生成越

25、来越重的元素，产生的能量会暂时延缓恒星的坍缩。越重的元素，产生的能量会暂时延缓恒星的坍缩。 最终，聚变逐步到达元素周期表的下层，硅开始最终，聚变逐步到达元素周期表的下层，硅开始聚合成铁。在这之前，恒星通过这些核聚变获得能量，聚合成铁。在这之前，恒星通过这些核聚变获得能量，但是铁不能通过聚变释放能量，相反，铁聚变需要吸但是铁不能通过聚变释放能量，相反，铁聚变需要吸收能量。这会造成没有能量来对抗重力，而核心几乎收能量。这会造成没有能量来对抗重力，而核心几乎立刻产生坍缩。立刻产生坍缩。大质量恒星大质量恒星 超新星爆发超新星爆发大质量恒星大质量恒星 中子星中子星大质量恒星大质量恒星 中子星中子星磁星磁星10万英万英里里 大质量恒星大质量恒星 脉冲星脉冲星大质量恒星大质量恒星 超新星爆发超新星爆发大质量恒星大质量恒星 黑洞黑洞大质量恒星大质量恒星 黑洞黑洞 变星：变星：凡光学波段亮度有变化的恒星，不管是由凡光学波段亮度有变化的恒星，不管是由于内在的物理原因还是外在的几何原因，都称为变星。于内在的物理原因还是外在的几何原因，都称为变星。 分类：分类：内因变星和外因变星内因变星和外因变星 内因变星：内因变星：脉动变星，极早期演化阶段的变星，脉动变星，极早期演化