自然科学概论-宇宙篇恒星-课件.ppt

1、第四讲第四讲 恒星世界恒星世界 德国哲学家康德的一句名言德国哲学家康德的一句名言：“世界上有两件东西能够深深的世界上有两件东西能够深深的震撼人们的心灵，一件是我们心中震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件是我们头崇高的道德准则，另一件是我们头顶上的灿烂的星空。顶上的灿烂的星空。”1 1 秒差距秒差距 (pc)=3.26(pc)=3.26光年光年 (ly(ly)=206265=206265天文单位天文单位 (AU)(AU)=3.09=3.0910101313 km km以一个天文单位为底边以一个天文单位为底边,它所对它所对应的三角形内角的大小为应的三角形内角的大小为1 1秒时，秒时

2、，这个三角形的这个三角形的一条边的长度就一条边的长度就称为称为1 1秒差距秒差距。2 2量度距离的单位量度距离的单位:秒差距秒差距(pc)(pc)一一 恒星简介恒星简介1、恒星、恒星:由炽热气体组成的由炽热气体组成的,能自能自己发光的球状或类球状天体。己发光的球状或类球状天体。1)1)星等星等m:m:古希腊天文学家在公元前古希腊天文学家在公元前150150年左右首先创年左右首先创立的立的表征恒星亮度的系统表征恒星亮度的系统（1 1等星等星-6-6等星）。等星）。*星等值越大，恒星亮度越低。星等值越大，恒星亮度越低。1等星6等星*视星等视星等：是指我们地球上：是指我们地球上所看到的星等。所看到的

3、星等。*绝对星等绝对星等：把恒星放在距离观测者：把恒星放在距离观测者1010秒差距秒差距远的地方，远的地方，所观测到的星等。所观测到的星等。3 3、恒星、恒星的能量的能量:主要来源于恒星内部的热核反应主要来源于恒星内部的热核反应.太阳是太阳是-27-27星等。星等。1)1)光度光度L:L:恒星在恒星在单位时间内向外辐射单位时间内向外辐射的总能量的总能量.2)2)亮度亮度B:B:在地球上在地球上单位时间单位面积单位时间单位面积接收到的恒星接收到的恒星的辐射量。的辐射量。3)3)光度与距离无关，与恒星表面温度和表面积有关。光度与距离无关，与恒星表面温度和表面积有关。是恒星的固有量是恒星的固有量.4

4、)4)亮度与亮度与三个因素：三个因素：恒星恒星的光度、距离和星际的光度、距离和星际物质对辐射的吸收和散射物质对辐射的吸收和散射有关有关,用星等来表示用星等来表示.5)5)恒星光度与恒星恒星光度与恒星表面温度和表面积表面温度和表面积的关系。的关系。*表面积一定表面积一定,表面温度越大表面温度越大,光度越大光度越大。*表面温度一定表面温度一定,表面积越大表面积越大,光度越大。光度越大。光度小的叫光度小的叫矮星矮星,光度大的叫光度大的叫巨星巨星,更大的叫更大的叫超巨星超巨星.6 6恒星的颜色与表面温度恒星的颜色与表面温度温度越高，颜色越偏蓝温度越高，颜色越偏蓝;温度越低，颜色越偏红。温度越低，颜色越

5、偏红。丹麦天文学家丹麦天文学家赫兹普隆赫兹普隆和美国天文学家和美国天文学家罗素罗素各自独各自独立地以已知恒星的立地以已知恒星的光度为纵坐标光度为纵坐标，温度为横坐标温度为横坐标制制成的一张恒星分布图。成的一张恒星分布图。赫兹普隆赫兹普隆罗素罗素主星序主星序,太阳位于太阳位于主星序上主星序上.主序星主序星。主序星内质量大的主序星内质量大的恒星光度也高。恒星光度也高。右侧星的光度大，右侧星的光度大，温度低。温度低。巨星巨星。巨星上方为巨星上方为超巨超巨星星.左下方的星温度左下方的星温度高，光度弱高，光度弱,白矮白矮星星。三三 恒星的诞生和演化恒星的诞生和演化恒星的一生是一部和引力恒星的一生是一部和

6、引力斗争的历史！斗争的历史！物体内的物体内的万有引力万有引力，物体，物体内部的热运动会产生一种内部的热运动会产生一种向外排斥的压力向外排斥的压力。如果星。如果星体内部的压力不足以与引体内部的压力不足以与引力抗衡力抗衡,就要收缩；反之，就要收缩；反之，就要膨胀就要膨胀,引力与压力平衡，引力与压力平衡，就保持稳定就保持稳定.天文学家根据天文学家根据赫罗图赫罗图描描绘了恒星从发生绘了恒星从发生 发展发展 衰亡衰亡 转化的演化转化的演化过程过程 。恒星和行星氢气云氢气云氢原子旋涡氢原子旋涡康德康德拉普拉斯星云假说拉普拉斯星云假说 恒星恒星转动的气球体转动的气球体East China Normal Un

7、iversityq 恒星是由星云凝聚而成。弥漫星云在自引力的作用下，收缩成比较密集的气体引力势能转化为热能，内部温度升高并辐射能量向赫罗图上某个主序位置移动。质量愈大，收缩愈快，达到主序的位置愈高（温度高，光度大）。East China Normal Universityq 恒星“移到”主序后，内部温度高到足以发生热核反应的程度热核反应代替引力收缩成为主要能源温度升高，热运动加快，恒星膨胀，排斥力足以同引力相抗衡恒星停止收缩，长期稳定依靠热核反应进行辐射。q 一颗恒星在主序中的时间，占去其“生命”的大半辈子；且在主序上逗留的时间，取决于其质量的大小质量愈大,引力愈强它必须维持较高的温度和较久的

8、辐射功率以与引力收缩抗衡它的氢燃料消耗更快，寿命更短。East China Normal Universityq 热核反应是在恒星的中心区域进行的，那里的氢核燃料最先燃尽，逐渐形成一个由氦组成的核，停止释放能量。氢燃料的逐渐枯竭，是恒星在结构上逐渐发生变化的前奏。q 随着氦核的不断增大，其引力收缩急剧增强，并释放大量能量。结果，恒星的核心收缩（变得愈来愈致密和炽热），外层膨胀（温度降低而光度增大），成为一个非常巨大的具有“热”核的“冷”星。从而恒星离开主星序，进入红巨星区域生命的“晚年”。East China Normal Universityq 在红巨星阶段，恒星的演化速度大大加快。中心区域

9、的温度和密度因收缩而继续升高，到1亿摄氏度时开始进行由氦核聚为碳核的新一轮热核反应；氦烧完后，温度继续因收缩而升高，原子核再聚变产生更重的元素能量有限，到了“垂暮之年”，一旦核反应终止，对引力的抗衡全线崩溃自行坍塌。East China Normal Universityq 红巨星收缩时，核心部分收缩最猛烈，外部处在较弱的引力下。核心温度因猛烈收缩而急剧上升，由此掀起的热浪会把外层气壳抛掉，剩下一颗致密和炽热的白矮星以后逐渐变冷，变成又小又暗的黑矮星终其一生。East China Normal Universityq 并非所有恒星都经历如此“平静”的演化道路。q 那些质量和体积特别巨大的恒星，

10、演化的最后阶段会发生爆炸超新星爆发。如留下“残骸”的质量足够大便会“一落千丈”地坍塌为中子星（于1967年发现，1978年发现了300颗以上）。East China Normal Universityq 恒星在核能耗尽后，如质量仍超过2倍的太阳质量，则平衡态不再存在，星体将无限收缩。连核力也将在引力作用前面低下头来，中子也会坍塌，形成所谓的“黑洞”。q 目前没有密度大于1015克/厘米3的物质的实验数据，无法推测星体的具体结构，但根据理论可以推断：星体的半径将愈来愈小，密度将愈来愈大，终于达到临界点引力之大足以使一切粒子、包括光子，都不能外逸，因而谓之黑洞。核心H枯竭壳层H燃烧核心He燃烧核心

11、He枯竭壳层He和H燃烧核心C燃烧核心C枯竭壳层C、He和H燃烧O,Ne,Si燃烧 Fe核 C 126 O 168 iS 2814Fe 的的核核心心 eH 42 eH 42 eH 42 C 126 H H H 312111 eH 42向外的向外的压力压力 H H H 312111 eH 42恒星中心的热核反恒星中心的热核反应产生向外的压力应产生向外的压力向外的压力与向内的引力平向外的压力与向内的引力平衡，恒星进入相对稳定时期衡，恒星进入相对稳定时期氢烧完，恒星体积收缩，氢烧完，恒星体积收缩，开始新的聚变开始新的聚变108K eH 42 eH 42 eH 42 C 126 O 168 i S 2

12、814Fe Ni Co的核心的核心恒星走向衰老恒星走向衰老108K内核的内核的温度足温度足以引起以引起热核反热核反应应5050亿年后亿年后,太阳变太阳变成红巨星，将把水成红巨星，将把水星、金星、地球及星、金星、地球及火星全部吞没。火星全部吞没。致密星阶段致密星阶段不同质量恒星的演化成不同的致密星不同质量恒星的演化成不同的致密星.质量小于质量小于3.5 m3.5 m的恒星经历红巨的恒星经历红巨星阶段，演化成白矮星。星阶段，演化成白矮星。中心核聚变停止后继续塌缩中心核聚变停止后继续塌缩,外部膨胀脱离核心，成外部膨胀脱离核心，成为行星状星云。行星状星云中心留下的核心会逐渐冷为行星状星云。行星状星云中

13、心留下的核心会逐渐冷却，成为白矮星。太阳临终就变成白矮星死。却，成为白矮星。太阳临终就变成白矮星死。(1)(1)白矮星白矮星白矮星的密度在白矮星的密度在10001000万吨万吨/立方米左右。表面重力等立方米左右。表面重力等于地球表面的于地球表面的10001000万万1010亿倍。原子被压碎，电子脱亿倍。原子被压碎，电子脱离了原子轨道变为自由电子。原子核是离了原子轨道变为自由电子。原子核是“沉浸于沉浸于”电电子中。子中。*白矮星的形成白矮星的形成19301930年，美国科学家钱德拉塞年，美国科学家钱德拉塞卡发现了白矮星的质量上限卡发现了白矮星的质量上限1.4 m1.4 m（钱德拉塞卡极限）（钱德

14、拉塞卡极限）.白矮星白矮星天狼星天狼星天狼星的伴星是第一颗被天狼星的伴星是第一颗被人们发现的白矮星。人们发现的白矮星。正在形成的白矮星正在形成的白矮星 *钱德拉塞卡极限钱德拉塞卡极限.质量在质量在3.53.58 m8 m之间的恒星最终经历超新星爆之间的恒星最终经历超新星爆发，进而形成中子星发，进而形成中子星 超新星爆发超新星爆发（2 2）中子星）中子星某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。*超新星超新星20072007年年5 5月美国宇航局月美国宇航局观测到的有记录以来最观测到的有记录以来最亮的超新星爆发亮的超新星爆发 超新星遗迹：蟹状星云超新

15、星遗迹：蟹状星云中国超新星中国超新星SN1054SN1054，10541054年年7 7月月4 4日出现的特日出现的特亮的亮的“天关客星天关客星”超新星爆发不是一颗新恒星的诞生，而是一颗大质量超新星爆发不是一颗新恒星的诞生，而是一颗大质量恒星死亡。恒星死亡。*中子星中子星强大的压力把原子核外的所有电子都挤进原子核里，强大的压力把原子核外的所有电子都挤进原子核里，与质子结合成中子。中子态物质组成中子星。与质子结合成中子。中子态物质组成中子星。中子星中子星中子星的密度：中子星的密度：10101111千克千克/立方厘米立方厘米19671967年，英国射电天文学家休依什和贝尔等发现了脉冲星。年，英国射

16、电天文学家休依什和贝尔等发现了脉冲星。不久，就确认脉冲星是快速自转的、有强磁场的中子星。不久，就确认脉冲星是快速自转的、有强磁场的中子星。*奥本海默极限：奥本海默极限：中子星的上限为中子星的上限为3.2 m3.2 m质量大于质量大于8 m8 m，超新星爆发后其核心最终形成黑洞，超新星爆发后其核心最终形成黑洞.一类极为特殊的天体，任何射向此天体的物体或光一类极为特殊的天体，任何射向此天体的物体或光子都将一概被吸收，有进无出。子都将一概被吸收，有进无出。(3)(3)黑洞黑洞在晴朗的夜晚，可以看到天空中有一条明亮的相当在晴朗的夜晚，可以看到天空中有一条明亮的相当宽的星带。这条光带称为银河。宽的星带。

17、这条光带称为银河。*望远镜发明后，望远镜发明后，伽利略伽利略首先用望远镜观测银河，发首先用望远镜观测银河，发现银河由恒星组成。现银河由恒星组成。*英国人英国人赖特赖特、瑞典人、瑞典人斯维登堡斯维登堡认为，银河和全部恒星认为，银河和全部恒星可能集合成一个巨大的相对完整的恒星系统。可能集合成一个巨大的相对完整的恒星系统。*1818世纪后期，为了确定世纪后期，为了确定恒星系统的结构和大小恒星系统的结构和大小,赫歇尔兄妹赫歇尔兄妹用自制的反射用自制的反射望远镜开始恒星计数的观望远镜开始恒星计数的观测，他们探测了北半球测，他们探测了北半球10831083个天区共计个天区共计1111万颗恒万颗恒星，花费了

18、毕生精力，以星，花费了毕生精力，以致妹妹终生未嫁。致妹妹终生未嫁。小赫歇尔小赫歇尔在南非好望角探在南非好望角探测了南半球测了南半球22992299个天区共个天区共探测统计了探测统计了7070万颗星万颗星 2020世纪初，天文学家把世纪初，天文学家把以银河为表观现象的恒以银河为表观现象的恒星系统称为银河系。星系统称为银河系。19181918年，年，美国著名的天文学美国著名的天文学家家沙普利沙普利在上述基础上得出在上述基础上得出正确结论：正确结论：“银河系是一个银河系是一个直径约直径约1010万光年的透镜形天万光年的透镜形天体系统，太阳处于离中心近体系统，太阳处于离中心近3 3万光年的一条旋臂里万

19、光年的一条旋臂里”银河系是一个旋涡星系银河系是一个旋涡星系.银河系由银心银河系由银心(核核)、银盘和银晕三部分组成。、银盘和银晕三部分组成。视频视频:银河系和星云。银河系和星云。椭圆星系几十亿至几千亿颗恒星以及星际气体和尘几十亿至几千亿颗恒星以及星际气体和尘埃物质等组成的天体系统。河外星系埃物质等组成的天体系统。河外星系.1)1)星系星系2)2)发现河外星系发现河外星系哈勃哈勃19241924年确认，年确认，北半球天空肉眼可北半球天空肉眼可见的见的仙女座大星云仙女座大星云，是一个远在银河之是一个远在银河之外、距离我们约外、距离我们约220220万光年的类似银河万光年的类似银河系的巨大星系系的巨

20、大星系大麦哲伦星系大麦哲伦星系小麦哲伦星系小麦哲伦星系麦哲伦麦哲伦在西班牙国王的支持下，从西班牙的一个港口出发，在西班牙国王的支持下，从西班牙的一个港口出发，开始了人类历史上第一次环绕地球的航行。开始了人类历史上第一次环绕地球的航行。15201520年年1010月份，月份，麦哲伦带领船队沿巴西海岸南下时，每天晚上抬头就能看到麦哲伦带领船队沿巴西海岸南下时，每天晚上抬头就能看到天顶附近有两个视面积很大的、十分明亮的云雾状天体天顶附近有两个视面积很大的、十分明亮的云雾状天体不规则星系不规则星系漩涡星系漩涡星系椭圆星系椭圆星系哈勃哈勃按星按星系形态分系形态分椭圆星系椭圆星系漩涡星系漩涡星系不规则星系不规则星系