天文学基础09-恒星

天文学基础

（公共选修课教程）上海工程技术大学施韡§9恒星知道描述恒星的主要参数、分类；了解恒星演化的大致规律。重点：恒星演化规律。§9.1恒星的参数一、恒星的亮度、星等、光度恒星的亮度——在观测点与实现垂直的平面上，星光产生的照度。照度——被照亮的程度，单位勒克斯(lx)坎德拉(cd)——辐射强度为每球面度1/683瓦，频率为540×1012Hz（λ=560nm）的单色光源的发光强度。1坎德拉的发光强度辐射功率为4π/683瓦=0.0184瓦。该光源在1球面度内的光通量定义为1流明。球面上的照度=4π流明/4π米2=1勒克斯，即一支标准蜡烛在1米处所产生的照度。恒星的亮度以照度为定义，却不用勒克斯单位来描述，而是沿用古希腊人做法，用星等来表示。古希腊天文学家喜帕恰斯把全天肉眼可见的恒星分成六个等级，最亮的1等，勉强可见的是6等。现代方法测量发现1等星比6等星的实际亮度刚好大100倍。m=-2.5lgEm是胜利感觉的强弱程度，E是实际亮度。E=E010-0.4m勒克斯m是视星等的强弱程度，E是实际亮度。大气层外产生的照度：绝对星等——恒星在10秒差距(pc)处的亮度秒差距——视差为1″的恒星的距离太阳地球恒星ρ″ρ″=206265/D(Au)AuD1pc=206265Au≈3.26Ly视星等和绝对星等的转换M=m+5-5lgDm为视星等，D为恒星与地球距离，以秒差距为单位。恒星光度测量就是通过望远镜和辐射探测器测量恒星的亮度及亮度的变化情况。辐射探测器是天文望远镜的附属设备，可以是照相底片、光电倍增管、电磁耦合器件（CCD）等。通过分光光度测量可以获得恒星各个波段的能量分布情况，通过维恩位移定律可以求得恒星表面的绝对温度T。λmax=bT-1b=2.898×10-3m·K已知温度T，通过斯忒藩-波尔兹曼定律，可求恒星表面单位时间内每单位面积上所有波长的辐射总量E。E=σT4σ=5.67×10-8W·m-2·K-4由以上公式可知：辐射能量最高的波长值随温度成反比。恒星表面温度越高，能量越向短波波段集中，星光颜色偏蓝紫色，反之偏红橙色。恒星表面单位面积的辐射总量与温度的4次方成正比。温度高、体积大的恒星必然是光度大的恒星。已知恒星距离，可以从视亮度计算恒星的光度L，并可以由已知的辐射总量E得到恒星的半径R。L=4πR2Eb=2.898×10-3m·K二、恒星的光谱三、恒星的位置和运动参数恒星的球面位置恒星的距离三角视差法恒星的运动参数恒星的自行自行可以分解为天球球面上沿赤经方向和沿赤纬方向的球面坐标运动，用单位时间内运动的角度来计算，单位：角秒/年。目前已知自行最大的恒星是巴纳德星，由美国天文学家巴纳德（E.Barnard）于1916年发现，自行值为10″.31/年，距离5.9光年。恒星的运动参数恒星的视向速度恒星沿地球上的视线方向有远离或趋近两种可能的运动速度，成为视向速度。采用多普勒效应测量视向速度。Δλ>0时，光谱线红移，视向速度为正，恒星远离。Δλ<0时，光谱线蓝移，视向速度为负，恒星靠近。偏移量当z较小的时候，可以使用牛顿力学体系中的公式计算退行速度。当z较大的时候，必须使用相对论推算公式。§9.2主星序一、恒星的光谱型根据恒星表面温度（颜色）进行的一元分类法。总共7个大类，3个亚型，每个大类10个次型。哈佛分类法OBAFGKMSRNOh,BeAFineGirlKissMe!RightNow,Smack!各类光谱型与颜色的关系R、N、S三个亚型仅反映化学组成的差别。R、N型光谱中有较强的碳分子和氰分子（CN）吸收带（碳星），K、M型光谱中有较强的金属氧化物吸收带（含氧星）。S型与M型类似，但有很强的氧化锆（ZrO）分子吸收带并往往伴有氢的发射线。在以太阳为中心450秒差距为半径的银河系空间中，B型星约占1%，A型星约占1.5%，F型星约占8%，G型星约占13%，K型星约占20%，M型星约占56%，其余各型攻占约0.5%。恒星的光谱就好比人的指纹摩根（W.W.Morgan）和基南（P.C.Keenan）在哈佛分类法（以温度为依据）的基础上，再加一个光度数据，提出二元分类法。光度分为七级，用罗马数字表示，附在哈佛分类标记后面，如有必要，在罗马数字后面再加小写英文字母排列光度顺序。MK分类法

超巨型

亮巨星

正常巨星

亚巨星

主序星（矮星）

亚矮星

白矮星例如：太阳G2V，表示一颗黄色主序星

参宿七B8Ia，表示一颗光度特别大的蓝白色超巨星二、赫罗图——光谱光度图丹麦天文学家赫茨普龙（E.Hertzsprung）和美国天文学家罗素（H.N.Russell）各自独立地提出了恒星的光谱型与光度之间存在相关关系，并以图形来表示，称为赫罗图或H-R图。光谱型——温度——颜色光度——绝对星等——恒星体积光度的单位是太阳的真亮度，通过绝对星等的差数可以计算。E=E010-0.4m织女星的绝对星等是0.50，太阳的绝对星等是4.75，它们的亮度比为50。三、主序星主序星是恒星一生中处于稳定阶段、停留时间最长的恒星。恒星在这个阶段停留的时间占整个寿命的90%以上，相当于人生的青壮年阶段。太阳停留在主序阶段的时间大约是100亿年15个太阳质量的恒星停留时间只有1500万年1/2个太阳质量的恒星在主序阶段停留时间长达2000亿年恒星质量最大不超过太阳质量的120倍，最小不小于太阳质量的0.05倍§9.3恒星的演化机制一、恒星的能源强子：质子、中子、介子（π、κ……）、超子（Λ、Σ……）原子结构各种强子由夸克（quark）组成三“色”：红、白、蓝六“味”：上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、顶(t)、底(b)轻子：电子、中微子中微子有电子中微子、μ中微子和τ中微子等三种。质量极小、不带电荷、作用微弱、穿透力强、光速前行。反物质反物质的存在是1928年英国物理学家狄拉克从量子力学和相对论直接推导出来的，表现出自然界的对称性。一切物质粒子都有各自的反物质，除光子外，所有粒子与它的反粒子质量相同、电荷性质相反、磁矩方向相反、自选方向相反。正反物质能够在达到一定温度的时候（阈温）由光子碰撞对称地成对产生。正反粒子碰到一起会发生“湮灭”，又变成光子，正反物质同时消灭，并以强光形式放出能量。1克正物质和1克反物质湮灭时释放的能量约1.8×1014J，相当于5000万度电能。恒星内部的化学反应中应该有反物质产生。恒星的核聚变反应质子-质子反应（氢氦聚变）碳-氮-氧循环（碳循环）二、主序星的理论模型原始恒星主要是由70%～75%的氢和24%～27%的氦组成。由于某种原因，原初物质相对集中，形成原始恒星。当恒星内部放声了氢氦热核反应并达到一定规模，主序阶段开始。在主序星内部，应当满足五个物理方程：质量方程流体静力学平衡方程光度方程辐射转移方程物态方程质量1M10M0.6M典型星太阳角宿一天鹅座61A观测值绝对星等光谱型距离/秒差距表面温度/开4.75G2/5800-3.4B183240007.58K53.44000理论计算值中心密度/克·厘米-3中心温度/万开中心压力/亿帕核反应类型辐射转移方式100100013×107质子-质子内层辐射外层对流828003.5×107碳循环内层对流外层辐射658007.5×107质子-质子对流三种不同质量的主序星的理论计算与实际观测参量比较不同质量主序星的赫罗图不同质量恒星在主序停留的时间三、主序前的情况原始星际物质，平均密度约10-24克/厘米，每立方厘米1个氢原子。星际物质塌缩成密度更大的星云。星云分裂成更小团块，继续浓缩，密度变大后继续分裂。小星云质量小到介于0.05～120个太阳质量之间时，小星云不再分裂。小星云不断聚拢，形成“星胚”。氢-氦热核反应开始，新恒星诞生！四、主序后的演化氦后元素的热核反应氦燃烧——当温度达到108开以上时，氦原子核将成为燃料，总释放能量相率大约是氢燃烧的1/5：碳燃烧——当温度达到8×108开时，新的碳燃烧和氧燃烧开始，产出镁（Mg）、硅（Si）、磷（P）、硫（S）等炉渣。这些元素的原子核所带电荷已经很大，形成“库仑壁垒”，不容易靠得很近。氧燃烧光裂变反应——温度达到3.5×109开时，镁和硅的原子核因吸收光子而发生光裂变反应，产生铝（Al）、氖（Ne）、氧（O），同时发射出质子（氢原子核）、中子和α粒子（氦原子核）。硅燃烧（α燃烧）——温度达到3.5×109开时，镁和硅的原子核与氦原子核之间产生聚变反应而产生原子量较大的元素硫（S）、氩（Ar）、钙（Ca）、钛（Ti）、铬（Cr）、铁（Fe）、镍（Ni）。热核反应过程近似点燃温度

（开）典型运转温度

（开）所需最小恒星质量

（M）氢燃烧

氦燃烧

碳燃烧

氧燃烧

硅燃烧4×106

1×108

6×108

1×109

2×1092千万

2亿

8亿

15亿

35亿0.05

0.5

4

6

9恒星内部的热核反应数据小质量恒星的晚期演化（<3M）氢燃料燃烧完毕，剩下氦。重力占上风，核心收缩。大量引力能转化为热能核心收缩，外壳膨胀。核心氦外壳氢分别点燃外围物质膨胀，表面温度下降。红巨星诞生氦燃烧殆尽，生成碳氧。密度增加，壳心分离，白矮星形成。内部冷却，外部扩散，行星状星云消失殆尽，成为暗物质。104102110-210-410030103原太阳原太阳收缩红巨星主星序抛出行星状星云氢燃烧变成白矮星直至黑矮星温度/千开光度太阳一生的演化进程中质量恒星的晚期演化（3~9M）氢燃料燃烧完毕，剩下氦。进行氦燃烧，形成巨星。氦燃烧完毕，剩下碳氧炉渣。质量较大引发碳燃烧。核心区膨胀不足以降温，“碳闪”。引发爆炸，所有物质全部抛散。形成Ia型超新星大质量恒星的晚期演化（>9M）氢燃烧氦燃烧碳燃烧外层氢燃烧和氦燃烧同时进行形成巨型“洋葱头”层层热核反应直至生成铁形成脉动星光子穿入铁核形成氦和中子中子堆积，中微子逃逸。压力骤减，引力巨大，迅速塌缩。超新星爆发，外层物质解体。形成中子星或者黑洞。超级“洋葱头”白矮星中子星质量1M2M半径8000公里10公里密度106克/厘米31015克/厘米3温度106开108开密近双星五、最后的归宿简并压力泡利不相容原理——原子中所有围绕原子核运动的电子不允许有相同的运动状态。禁止两个以上的电子在同一时间占据空间的同一个区域。简并压力——当物质密度高到一定程度的时候，会有另外一种非热辐射压力起到主要作用。在高度压缩的恒星上，简并压力可与引力抗衡。由电子的简并压力与引力相平衡而保持稳定的恒星是白矮星。由中子的简并压力与引力相平衡而保持稳定的恒星是中子星。当中子的简并压力也无法对抗引力时，就再也没有什么力能抵挡引力，于是黑洞出现了！钱德拉塞卡极限白矮星的质量上限约为太阳的1.44倍。当质量超过钱德拉塞卡极限时，引力大于电子简并压力，星体在几秒中内崩溃塌缩，电子越过泡利不相容原理的屏障，冲入