太空探索-课件第5章宇宙一、恒星及其演化

宇宙的宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。宇宙是物质世界，它处于不断的运动和发展中。《淮南子〃原道训》注：“四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地。”即宇宙是天地万物的总称。宇宙是由大约150亿年前发生的一次大形成的。在发生之前，宇宙内的所存物质和能量都到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大，之后发生了大。大

使物质四散出击，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。然而，大

而产生宇宙的理论尚不能确切

地解释，“在所存物质和能量 在一点上”之前到底存在着什么东西？（“大

理论”是伽莫夫于1946年创建的。）一、恒星及其演化恒星：凡是由炽热气态物质组成，能自行发热发光的球形或接近球形的天体都可以称为恒星。宇宙空间中估计有数以万亿计的恒星，看上去好象都是差不多大小的亮点，但它们之间有很大的差别，恒星的大小：0.05~120个质量；恒星的半径：半径的几千分之一到几千倍；根据弥漫说的理论，恒星形成可分为两个阶段，开始时先由极其稀薄的物质凝聚成并进一步收缩成原恒星，然后原恒星才发展成为恒星。由于每颗恒星的表面温度不同，它发出的光的颜色也不同，因此恒星的温度和颜色差别很大。科学家们依光谱特征对恒星进行分类，光谱相同的恒星其表面温度和物质构成均相同。恒星的温度与光谱O型:

蓝色。如猎户座ι。B型：蓝白色。如大熊座η。A型：白色。如天琴座α。F型：黄白色。如仙后座β。G型：黄色。如

、

座β。K型：橙色。如金牛座α。M型：红色。如猎户座α。R和N型：橙到红色。如双鱼座19号星。S型：红色。如双子座R。恒星的光度级可以分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、

Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ，依次称为超巨星、亮巨星、巨巨星、主序星（或矮星）、亚矮星、白矮星。的光谱型为G2V,颜色偏黄,有效温度约5,770K。恒星的表面有效温度由早O型的几万度到晚M型的几千度，差别很大。恒星的光谱能量分布与有效温度有关，由此可以定出O、B、A、F、G、K、M等光谱型（也可以叫作温度型）恒星表面的温度一般用有效温度来表示，它等于有相同直径、相同总辐射的绝对黑体的温度。温度递减赫罗图1911年丹麦天文学家赫茨普龙和天文学家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左图中上方至右下方的一条狭长带内，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)。赫-罗图揭示了恒星演化的重要规律，可以说是天文学的一项伟大发现。从星云形成的原始恒星，到主序星，再发展到不稳定的红巨星、变星，一直到核燃料殆尽后演变为致密星,所经历的这一漫长的演化过程在赫罗图上一目了然。恒星演化进程星际气体原始星主序星红巨星超爆发弥散到星际空间中子星黑洞白矮星冷却和引力不稳定热核反应(H-

He)元素的中微子产生爆发性抛射物质轻恒星重元素丰度增加(脉冲星)重恒星平稳的抛射物质一般认为恒星是由 凝缩而成，主序星以前的恒星因温度不够高，不能发生热核反应，只能靠引力收缩来产能。进入主星序之后,中心温度高达

700万度以上，开始发生氢聚变成氦的热核反应。这个过程很长，是恒星生命中最长的阶段。氢燃烧完毕后，恒星 收缩，外部膨胀，演变成表面温度低而体积庞大的红巨星，并有可能发生脉动。那些 温度上升到近亿度的恒星，开始发生氦碳循环。恒星的末态，即它们的归宿应该是在赫罗图上主星序的左面。从主星序极右方红巨星或红超巨星演变到它们的末态，一般要抛失质量，甚至要象新星、超那样大爆发，然后才演变为行星状的中心星、白矮星或中子星。星际气体星际空间中存在的气态原子、分子、电子、离子等。其元素丰度以氢最多，氦次之，其它元素含量很少。星际气体的分布并不是均匀的，而是形成一块一块的云团，而在云团之间或许还弥漫着更加稀薄的气体和尘埃。星际气体原始星主序星红巨星超 爆发弥散到星际空间中子星黑洞白矮星冷却和引力不稳定热核反应(H-

He)元素的中微子产生爆发性抛射物质轻恒星重元素丰度增加(脉冲星)重恒星平稳的抛射物质原始星处于从过渡到主序星前慢收缩阶段的天体叫原始星。恒星演化早期处在引力收缩阶段的浓密星际物质云。也有人更严格地把原恒星定义为这样一种天体：它的主要能源既不像主序星来自氢燃烧，也不像主序前恒星靠准流体静力学收缩，引力能，而是来自下落物质的吸积。星际物质在引力的作用下开始集中。物质的积累逐步发展成复杂的结构。物质的集中形成了云团，然后浓缩

成恒星。主序星赫罗图中沿左上方到右下方的对角线主星序上的恒星称为主序星；它的体积小，也称矮星；

目前处于主序星阶段。主序星化学组成均匀，

由氢燃烧变为氦。当中心的全部氢都燃烧完时，就结束主序星演化阶段。主序星的演化是准静态的变化。现观测到的恒星，90％都是主序星。恒星演化过程中，在这个阶段停留的时间最长。巨星与红巨星赫罗图上体积大、温度低、光度大的称为巨星；当一颗恒星度过它漫长的青壮年期——主序星阶段，步入老年期时，它将首先变为一颗红巨星。恒星中心核的氢全部燃烧完后就变成了氦核，此时在氦核外边缘出现了氢燃烧壳层源。由于中心氦核向内收缩，氢壳层源的外壳向外膨胀，恒星则变成红巨星。称它为“红”巨星，是因为在这恒星迅速

膨胀的同时，它的外表面离中心越来越远，所以温度将随之而降低，发出的光也就越

来越偏红。不过，虽然温度降低了一些，

可红巨星的体积是如此之大，它的光度也

变得很大，极为明亮。肉眼看到的最亮的

星中，许多都是红巨星。恒星的

及元素的重新分布。、不同质量的恒星结束他们生命的方式不同。低质量的恒星当它们的核减少时平静地

。类似

的恒星很快坍缩成地球一样大小的白矮星。大恒星的核几乎瞬时坍塌，产生这个

—超

，是在

、恒星行星和星际空间发现的所有重元素的源。元素的形成当星球 的温度升高到1亿度时，氦还会燃烧起来，由氦进一步聚变为碳。依次下去，每一次聚变都是更重一级的元素，直到

为铁。这便是“核 ”或“宇宙炼铁炉”。大质量星的演化大于9个质量的恒星属于大质量星；大质量星有强大的星风物质损失，在其演化过程中将外壳大部分或全部损失掉，

出内核，并对

结构产生影响；大质量星经历了从H,He,C,Ne,O,Si,Fe的全部燃烧过程，最后演化阶段是超，并且在

后可能遗留下一颗中子星或黑洞。超

爆发是大质量恒星演化到末期发生的

性

现象。爆发时突然增亮上千倍至几万倍，

的能量达1040~1045J,

结果是恒星物质全部抛散，流下

遗迹；或是抛射掉大部分能量，留下的部分物质坍缩为致密星。超

爆发是主序星临终前的回光返照。在我们系里只发现8颗超。历史上最有名的超是1054年出现的，中国宋史对这颗超有详细的记载：“至和元年五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”这是指公元

早晨4点多钟，在金牛座天关星附近看到的超

，它开始的亮度和太白金星亮度差不多，经过23天，又慢慢暗下去了。超余迹白矮星在赫罗图左下角的一群星，与矮星不同，它已不是正常星了；特征：光度低（

的1/10~1/100），表面温度高，密度大，是小而白热化的天体；白矮星已耗尽了核能，没有能量来源，靠冷却

的能量而发光。中子星大恒星的塌缩不仅把电子压缩得更紧，而且最终把电子压入了质子，使得它们的电性中和了，变成了中子。中子没有电性，没有排斥，宇宙为物质设臵的所有距离都不存在了，物质真正相互碰在了一起。这就是中子星中子星快速旋转着，规则地发射脉冲式射电信号，因而又称作脉冲星。中子星特点密度为1011kg/cm3，

也就是每立方厘米的质量竟为一亿吨之巨！半径十公里的中子星的质量就与

的质量相当了。中子星的表面磁场很强，高达1亿~20亿T，比

的普遍磁场强20万亿倍。中子星的电磁辐射能量也很强，是太阳的100万倍。黑洞黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；更大的恒星演变到后期，

后连原子核都被 了。在比原子核相互挨得更紧凑的物体上，引力大到把一切都封闭到里面的程度了。这就形成了密度高到难以 物质。任何靠近它的物体都会被它吸进去，黑洞就变得像真空吸尘器一样

。黑洞中隐匿着巨大的引力场，这种引力大到任何东西，甚至连光，都难逃黑洞

掌心。黑洞不让任何其边界以内的任何事物被外界看见，这就是这种物体被称为“黑洞”的缘故。我们无法通过光的反射来观察它，只能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞。天文学家们最近通过国家航空航天局的“钱德拉”X射线望远镜观测到了迄今一次黑洞喷发。有关这一发现的相关

已

在了2005年《自然》为止最杂志上。们介绍称，造成这次喷发的是一个超级黑洞，并且其强度仍在迅速增加。通过这一发现，科学家们不但进一步认识到了巨型黑洞的超强吞噬能力，同时，也可以据此研究黑洞喷发对周围天体的影响。“钱德拉”望远镜拍摄到的上显示，两个巨大的空穴从位于星团的黑洞延展开来。据测算，该黑洞的爆发已经持续了一亿多年，并出了能量巨大的伽马射线流。暗物质暗物质和普通的物质是非常不同的。由于暗物质不会发出任何光或是热，现代的望远镜无法观测到它；它看起来似乎只能通过引力与其他物质发生相互作用。目前各种天文观测和结构形成理论强有力地表明宇宙中有大约三分之一是暗物质。暗物质的总质量是普通物质的6倍，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜。图中蓝色的是暗物质，红色的发光物质，两者已经分开了，暗物质观测的研究是基于对 星系团（Bullet

Cluster）的观测。星系团是一种不同寻常的宇宙结构，它实际上是两团星系迎面相遇并彼此穿过而形成的。由于两个星系团以每小时一亿英里的速度撞到一起，它们包含的发光物质由于相互之间存在引力之外的相互作用力，相互挤压而出现。但是两星系团中的暗物质由于相互之间没有这种排斥力，它们并不，从而直接穿过。这样就导致暗物质跑到发光物质的前面去了这样每个星系团就分成了两部分：暗物质，发光物质在后。中心的反物质云康普顿gama射线观测台观测到中心gama射线湮灭产生的亮班。证明 中心有反物质（由正电子和负质子组成的物质）存在。宇宙中每创生出一些物质，就应该相应地创生出等量的反物质。反物质与物质正好相反。举凡拥有一个正电荷的物质，其反物质必拥有一个负电荷，反之亦然。如果大量物质与反物质彼此相遇，它们就会互相抵消，也就是在一场猛烈的爆发中互相湮灭，而这种爆发的则百倍于用与之等量的核聚变物质制造的氢弹。暗能量宇宙中普通物质只占4%，23%的物质为暗物质，73%是暗能量。暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要 有两个。一是对遥远的超 所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量"。另一个

来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右，所以仍有约2/3的短缺。这一短缺的物质称为暗能量，其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。现在物理学的基本理论还无法解释暗能量。暗能量是二十一世纪物理的最大的。解决这一问题需要新的理论，这样的理论一旦被找到，很可能是人们长期追求的包括引力在内的各种相互作用的量子理论。这将是一场重大的物理学。二、宇宙的构成恒星与星团星系与星系团超星系团总星系团星团恒星数量在10个以上、且有物理性质联系的星群叫星团；分类：球状星团

疏散星团和星际物质恒星际空间充满了星际气体、尘埃、粒子流、宇宙线和星际磁场等，这些物质统称为星际物质；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，称为

。系的

分为弥漫

、行星状

和超

剩余物质云三类。猎户座

，又叫做NGC1976，是太空中正在产生新恒星的一个巨大气体尘埃云猎户座 是一个X射线源，含有一些赫比格〃阿罗天体、一个脉射源和若干金牛座T型星。由于它离我们很近，猎户座

是人类研究得最彻底的天体之一。在距离地球约３６００光年处，有一片迷人的猫眼马头

---位于猎户座ζ星附近的暗星云，是天空中最著名的

之一著名的弥漫礁湖鹰嘴马蹄三叶玫瑰马头行星状星

系由几十亿至几千亿颗恒星以及星际气体、尘埃组成，尺度为几千光年到几十万光年的引力

系统；按外形和结构，可将星系分为三大类：椭圆星系盘星系（包括没有旋臂的透镜星系和旋涡星系）不规则星系（车轮行星系）（旋涡状星系）（椭圆行星系）系系是地球和

所在的一个星系，它包含数千亿颗恒星；包含 在内的体称为银盘，它是系盘系中的明亮部分。银盘边缘到中心大约6.5万光年，银盘的直径约13万光年。银盘只是

系的一部分，有些不属于银盘的恒星，还远在它的外边。系中心的星团系的邻居离

最近的恒星是半人马星座的比邻星（Prohima

Centauri),距离为4.22光年；系位于

系的边缘；离

系最近的两个小星系是大、小麦哲伦系；离

系最近的大星系是Andromeda星系，比

系大4倍，距离为200万光年。半人马星座比邻星大麦哲伦星系小麦哲伦星系离

系最近的Andromeda星系碰