高老师通识课宇宙篇恒星的起源与演化

1、第三节 恒星的起源与演化。 1夏季东南方高空夏季大三角2迢迢牵牛星/皎皎河汉女/纤纤擢素手/札札弄机杼/终日不成章/泣涕零如雨/河汉清且浅/相去复几许？/盈盈一水间/脉脉不得语/3夏季东南方高空夏季大三角456第三章 恒 星 恒星是指由内部能源产生辐射而自己发光的大质量球状天体。恒星离我们非常遥远，除太阳外，离我们最近的恒星是半人马座比邻星，距离约为41013 千米恒星由于离我们太远，不借助于特殊工具和方法，很难发现它们在天上的位置变化，因此古代人把它们认为是固定不动的星体。7由炽热的气体组成的、自身会发光发热的球状或类球状天体称为恒星恒星的大小相差悬殊 有比太阳直径大数百倍甚至一二千倍的恒星

2、，也有直径仅为太阳的几十分之一甚至更小的恒星，如白矮星。恒星的密度差别很大，太阳的平均密度是水的1.409倍，主序星的平均密度是太阳的10倍到1/10左右，红超巨星的平均密度比水小100万倍，而中子星的密度高达水的万亿倍至百万亿倍。恒星的特征8 亮度（brightness）: 指地球上的受光强度。 视亮度：肉眼所见的恒星的明暗程度。 光源的视亮度与其距离的平方成反比 距离增加1倍，亮度便减为1/4光度：表示恒星本身的发光本领。它是恒星每秒钟向四面八方发射的总能量。恒星的质量是很重要的一个参量，但是除太阳外，目前只能对某些双星进行直接测定，其他恒星的质量都是间接得到的，93.1 恒星的起源-之星

3、云说 星际物质恒星之间具有广阔的空间。恒星际空间不是一无所有的真空，而是充满了形形色色的物质。这些物质包括星际气体、尘埃、粒子流、宇宙线和星际磁场等，统称为星际物质。这些星际物质的分布是不均匀的。有的地方气体和尘埃比较密集，形成各种各样的云雾状天体。银河系中的气体尘埃密集的云雾天体，称为星云。星云又分成星团、星系和星云三种类型。10不规则星系漩涡星系椭圆星系11行星状星云M57星系团Abell 2218距地球130亿光年的星系（左边长型圈中）在M16天鹰座大星云1217世纪，牛顿就提出了散布于空间中的弥漫物质-气体和尘埃组成的巨大分子云可以在引力作用下凝聚为太阳和恒星的设想。 1755年，康德

4、首先提出太阳系起源星云说：太阳系是由一团星云演变来的，“天体在吸引力最强的地方开始形成”，引力使微粒相互接近，大微粒吸引小微粒形成较大的团块，团块越来越大，引力最强的中心部分吸引的微粒最多，首先形成太阳。拉普拉斯提出宇宙系统论。在这部书中，他独立于康德，提出了第一个科学的太阳系起源理论-星云说。人们常常把他们两人的星云说称为“康德-拉普拉斯星云说” 3.1 恒星的起源-之星云说 13 恒星是由低密度的星云碎片凝聚而成的。星云碎片由于自身的引力而收缩。在收缩过程中内部温度升高，质量小的云团形成单个恒星，质量大的云团形成了恒星集团。而大恒星与小恒星的命运是不同的。 3.1 恒星的起源-之星云说 1

5、4经过天文学家的努力，这一设想已经逐步发展成为一个相当成熟的理论。3.1 恒星的起源-之星云说 15哈勃望远镜展示的精美炫丽的星云恒星的诞生 在浩瀚的宇宙中由大量气体和尘埃微粒组成的星云绚丽多彩，很多是孕育新生恒星的“温床”。 16 图17-22所示是哈勃望远镜拍摄的鹰状星云中心区域的照片。奇形怪状的星云像柱子一样高高耸立着，星云中正在发光的部分，被认为是刚刚诞生的恒星集团。暗星云在这些恒星的照射下，将向四处喷散，然后逐渐被蒸发掉。173.1 恒星的起源-之超密说 强调可见宇宙大爆炸过程中抛射出许多超高密度的物质块，每个块形成一个星系。超密块爆发从核心再向四周演化，星系核心为残留的超密块，因此

6、爆发作用尚未止熄。天文学家已发现银核是一个强射电源区（强烈辐射射电波、红外波、射线波等），对本假说是有力支持。18恒星的演化和 其质量和密度有何种关系？光度与温度也是恒星的可观测的特征量。恒星的颜色与光谱，颜色的不同是因为恒星的光谱不同。恒星光谱显示的是恒星表面和大气的情况，同时也和内部结构有关。通过恒星光谱和光度（亮度）可以确定恒星的化学组成（发光物质）、温度、大小、质量、密度、距离、运动方向和自转等许多信息，被称为“无声的语言”。恒星的特征与其演化关系193.2 恒星的演化- 赫罗图 1913年美国天文学家赫茨普龙、罗素各自独立绘出亮星的光度温度图，发现大多数恒星分布在图中左上方至右下方的

7、一条狭长带内，从高温到低温的恒星形成一个明显的序列，称为“主星序”。为了纪念两位科学家作出的贡献，人们称这种图为赫罗图(HR-diagram)。 该图显示出恒星的光度和表面温度随时间变化的情形。绝对星等是光度的一种量度，绝对星等越小，光度越大20主序星的特点是表面温度的恒星其光度也大，表面温度低的恒星其光度也小。太阳是一颗主序星，其表面温度6000K（G2型），坐落在对角线中部，是处于壮年期的恒星。 在赫罗图的左下方，有一些恒星聚集，这些恒星表面炽热，但光度很小，称为白矮星。在赫罗图的右上方，也有一个恒星较密集的区域，这个区域是一些温度低但光度大的恒星，称为红巨星或超红巨星。 3.2 恒星的演

8、化- 赫罗图21根据赫罗图提出一系列假说。英国天文学家洛基尔在十九世纪八十年代，根据赫罗图提出恒星以红巨星为生命起点，以红矮星作为演化终端的演化假说-沿主星序演化 。1926年之后发展起来的恒星结构学说，1938年建立的恒星能源的热核反应理论，都表明沿主星序演化的概念不对。3.2 恒星的演化- 赫罗图221926年50年代，英国天文学家，A埃丁顿和R阿特金森，后来的佛莱德霍伊尔，威廉福勒和伯比奇夫妇提出恒星内热的观点：恒星质量巨大，向内的引力也超大。恒星内部一定非常热-必须有一个相等向外的内部力与引力相平衡。恒星没有很快向坍缩的原因在于向内的引力被恒星内部压缩气体产生的向外的巨大压力所平衡了。

9、抗拒恒星引力坍缩的力3.3 恒星的演化-内热说 231. 恒星演化的基本原理 恒星在一生的演化中总是试图处于稳定状态（流体静力学平衡和热平衡）。当恒星无法产生足够多的能量时，它们就无法维持热平衡和流体静力学平衡，于是开始演化。 恒星的一生就是一部和引力斗争的历史！24原始恒星阶段 快收缩时期：一般几百万年，似星非星、似云非云，辐射红外线。温度20003000摄氏度。 慢收缩时期：类似于太阳的恒星约7500万年。由于内部压力的产生而导致收缩减缓，当中心温度达到700万度以上时，引发氢聚变为氦的核反应，此时恒星发出耀眼的光，恒星“婴儿”就诞生了。 原始恒星阶段，星体始终处于收缩状态。这一过程经历了

10、两个时期：3.4 恒星的演化核反应 25原恒星形成示意星云在引力作用下收缩星云碎裂继续收缩为原恒星开始核反应 进入主序阶段26如果原恒星中心核的密度和温度爬升到足够高的水平（1000万），将能使得两个氢原子核相碰撞的力量大到产生核反应，核聚变是恒星核反应的主要方式。在恒星中心，首先发生核反应的是氢核（1H，质子）和氘核（2D），称为P-P反应， 相当于41H4He+26.20MeV。 核聚变放出能量的多少取决于核变前后质量亏损-核变前原子核质量与核变后原子核质量的差。由Einstein 的质能关系式： E =mc2= 4m(1H) m(4He)c2 = 26.73 MeV。3.4 恒星的演化核

11、反应 27恒星的发光机制核聚变放出能量的多少取决于核变前后质量亏损，即核变前原子核质量与核变后原子核质量的差。由于氦原子核的质量与形成氦核的四个质子的质量之间有微小的差别，这部分质量就转化成能量释放出来。3.4 恒星的演化核反应 28 以太阳为例，太阳的能量来源于其核心部分，太阳的核心温度高达1500万K，压力相当于2500亿个大气压。在这里发生着核聚变，每秒钟有七亿吨的氢被转化成氦，相当于每秒钟有数百万个氢弹爆炸，约有五百万吨的净能量被释放（大概相当于38600亿亿兆焦耳，3.86后面26个0）。聚变产生的能量通过对流和辐射过程向外传送。核心产生的能量需要通过几百万年才能到达表面。3.4 恒

12、星的演化核反应 29 在恒星的大半生中， P-P反应-氢聚变成氦是为恒星提供能源的主要反应，聚变能可以使恒星维持几十亿年，这就是主序星，主序星是恒星青壮年期，进入了相对稳定的漫长演化时期。目前银河系中90的恒星都属此演化阶段。氢核燃料会越来越少，从而使恒星反应堆开始萎缩，当恒星耗尽其氢燃料的供应时，则平衡消失，引力不受阻地使恒星坍缩。3.4 恒星的演化核反应 30主序星 当恒星中心温度达到700万度以上时，开始核聚变反应，恒星停止收缩，形成了正常的恒星，进入了主序星阶段。主序星阶段占恒星一生寿命的90%，是恒星最稳定的阶段，类似于人类的中年时期。 31坍缩过程中恒星核变热，形成足够高的温度，一

13、棵大质量恒星可以产生必要的内部温度-可达10亿度以上，而启动了氦聚变，氦核可以聚变成碳，并通过进一步的聚变生成氧、氖以及其他一些元素。氦聚变因为温度超高，恒星体积变得十分巨大，变成了庞大的巨星，庞大的恒星表面会把热量辐射出去。但恒星的表面温度却凉下来，恒星呈现红色。这时天文学家称之为红超巨星-氦核聚变成碳。氦核聚变会稳定地进行10亿年之久。3.4 恒星的演化核反应 32红巨星（10M太以下） 中小恒星 随着核聚变的进行，恒星中心的氦核越来越大，氦核周围的氢越来越少，当氦核质量占到恒星质量的12%时，恒星结构出现重大变化，氦核会坍缩并升温。氦核收缩，而恒星外层膨胀，体积急剧增大，表面温度降低。当

14、中心温度达到摄氏一千万度时，将引发又一轮的核聚变。氦原子核聚变成碳和氧原子核。聚变发生后产生的辐射压将使恒星暂时停止坍缩，处于暂时的平稳状态。这时的恒星叫做“红巨星”。 33SNKJ_猎户红巨星34红巨星氦核聚变的原子产物包括碳、氮和氧在氦燃料贮藏耗尽后将会变成新的恒星燃料。然后再由氦聚变为碳、氮和氧聚变，产生越来越重的元素。每个后继阶段都需要比前一阶段甚至更高的恒星核心温度，每个后继阶段所存在的时间就越来越短。铁的能量是所有元素中最小的，既不会聚变也不会裂变。核聚变聚变到铁-铁星的时候，核能量就释放完了，恒星核的核反应过程随即终止。它的末日便来临了。恒星中心区一旦不能再产生热能，恒星将跌进它

15、自己的引力深渊之中，在引力作用下剧烈压缩，甚至把原子都碾得粉碎。结果 恒星核区，铁星核温度高达约数10亿度，密度要比水大10亿倍。所有物质集中在约1000千米直径的体积之内，3.4 恒星的演化核反应 35超 巨 星（10M太以上） 恒星的质量超过太阳的十倍以上，在经历氦燃烧的阶段后，由于它的星核质量大，所以它的温度和压力也更大，因此将转入又一轮的聚变反应中：由碳聚变成氖和镁。然后又是硅和硫。恒星像一个巨大的洋葱头那样一层层地进行着热核反应，直至核心温度达到约摄氏二十八亿度，硅聚变成最终产物铁。36恒星进入演化的老年期。恒星以数以万亿吨计的物质以每秒几万公里的速度向内暴缩，与反弹着的比金刚石更坚

16、硬的致密恒星核区相遭遇，发生极为强烈的碰撞，导致恒星外壳发生爆炸，光度瞬间剧增万倍至上亿倍，几天内恒星增亮至太阳光的100亿倍，这就是所谓的超新星。3.5 恒星的晚年演化超新星37原有的恒星顷刻塌缩为体积小而密度极高的致密星（恒星的残骸）和爆发出去的星云物质，完成了银河系内空间物质-能量交换过程的一次循环。恒星演化最后阶段的致密星包括白矮星（黑矮星）、中子星和黑洞三种不同类型的归宿，它们的形成与母体恒星的质量大小有关。3.5 恒星的晚年演化383.5 恒星的晚年演化39质量中等的恒星（小于1.4个太阳质量）经历超新星爆发后，恒星残骸的密度达到1.75105g/cm3（相当太阳密度的12.5万倍

17、，由异常致密的原子核和电子组成），表面温度升高至8000K，发出白光，称为白矮星。白矮星靠辐射热量发光，可有几十亿年寿命，最终热能耗尽，不再辐射可见光，称为黑矮星。质量更大的恒星经历超新星爆发后残存的质量如达到太阳质量的1.52倍，在暴缩情况下形成快速自转的中子星。直径一般仅10 km，但密度达10141015g/cm3，主要由异常致密的中子组成，中子星寿命小于10亿年。3.5 恒星的晚年演化40耗尽能量后就变成黑矮星原恒星超新星中子星黑洞黑矮星巨星或超巨星恒星的燃料消耗殆尽时，它就会膨胀变成巨星或超巨星巨星或超巨星可能爆炸成为超新星遗留物会变成中子星质量最大的恒星遗留物会形成黑洞，即使光也无

18、法从黑洞中逃逸出来白矮星小型和中等恒星会变成红巨星，而后又会变成白矮星恒星的寿命取决于它的质量星云的气体和尘埃一旦紧缩成一颗原恒星时.一颗恒星就诞生了恒星的演化过程示意图4150亿年后太阳也将变成红巨星，其直径将扩展为现在的250倍。在扩张过程中，它的辐射热量将使地球上的任何生物都无法生存。届时地球上如果还有智慧生命存在，寻求可持续发展的唯一出路只能是，向太阳系以外的类地行星中去寻觅和重建家园。太阳42中子星中子星是由中子组成的超密度恒星。它的直径只有10千米左右，其密度特别大，1亿吨/cm3以上。中子星是1967年在狐狸座内发现的，由于它周期性地发出脉冲，又叫脉冲星. 43恒星的演化- 赫罗图4421世纪宇宙学面临的问题一、黑洞与类星体1、搜寻黑洞黑洞是什么？广义相对论作出了正确的解释：黑洞是引力坍缩的结果。黑洞有一个边界，称为“视界”。任何物体包括光一旦落入视界之内，就再也不能逃出视界。我们无法获取来自于黑洞的任何信息。45黑 洞