1、天体物理学全册配套完整 精品课件1 天文学史简介天文学史简介 一、天文学是最古老的科学之一一、天文学是最古老的科学之一 1. 起因 2. Astronomy-Astrology 人-星对应关系 3. 原始认识举例： 航海-推知时间、地点、方向等 农业-播种季节、采摘季节 宇宙纯洁、高雅 政治权利-祭司、哥伦布和西斯班纽拉岛的印第安人（月食事件）等 矮： a. 庙塔观察天文 b. 古埃及 天空像帐篷，大地角落四个山丘撑起天空; 古中国的盖天说、浑天说 c. 古希腊 伊卡洛斯只飞到几千英尺高度时，就被太阳的热 把他翅膀里的蜡熔化掉；太阳神阿波罗之子菲尔顿驾驶 太阳失控时，就像一辆撞到路标的马车一般
2、，冲进群星 之中，然后弹回地面（一路掉下来还把埃塞尔比亚人烤得焦黑） 二维空间：（天球、浑天说） 遗迹： 英格兰的巨石阵（夏至和冬至日出方位）、埃及吉萨金字塔 （对准北极星）、中国人对哈雷彗星的观察（240BC -1059BC） 二、古人二、古人（欧洲中世纪前）（欧洲中世纪前）的发现和解释的发现和解释 1. 认为恒星在天球上的位置是固定的，而行星的位置却是变化的，星体 （后来所称的行星或卫星）运行周期不一样：月球 28，太阳 365+1/4， 水星88，土星29+1/2 2.星体的逆行，轨道略微相互倾斜 3.古代苏美尔人 星辰西沉后沿着地底河流游向东边-显然它不能精确预言一 些天文现象。 4.
3、毕达哥拉斯-神秘主义鼻祖，天体运动轨迹是园， “morning star” and “evening star”是同一个星星是同一个星星 。 5.欧多克斯-巴门尼德斯的天球理论、 和柏拉图的关系、27天球； 6.巴比伦的天文记录； 7.亚里斯多德-和柏拉图学院的关系 、 组合天球 行星运行速度和方向都在变，例如， 它们有时运行速度会慢下来，然后反 方向运行一段时间。欧多克斯给每颗 行星加了4个球层：一个解释行星每 天的运动，一个解释行星在黄道带上 的运动，另外两个球层的转动方向相 反，用于解释行星的逆行现象。 8.托勒密：偏心园、本轮 以上认识的共同点：地球是中心。 9. 阿利斯塔克斯的日心论
4、（阿基米德提及，太阳与月亮到地球的距离大小） 三、古人所认为的宇宙的大小三、古人所认为的宇宙的大小 1. 天球论中星体速度与宇宙大小的关系 2. 地球的自转与速度 4. 托勒密的小宇宙得势、日心论被遗忘 5. 阿基米德的琐事（自由公民的脾气）和希腊科学的衰落 6. 罗马文化的特点 、（欧几里德一个学生大声质疑学几何有什么用时， 给他一枚钱币，因为他以为学东西就一定要有用） 3. 与阿基米德的大宇宙论（角朔一的亮度在不同季节的变化） 7. 基督教、伊斯兰教（可兰经：研究大自然和利用技术掌握大自然，崇拜 托勒密），中世纪的黑暗（宇宙与摩西的圣殿和所有行星都是由天使 推 着跑） 四、古人对地球的认识
5、四、古人对地球的认识 1.亚里士多德提出了地球是圆形的3个证据： 其一、一个人在南北方向上旅行时.总有星星从他前面的地平线上升起来， 也总有星星在他身后没入地平线。 其二、站在 高处观看大海中的帆船，当船驶近时总是先见船桅，后见船身； 离开时总是船身先没，船桅后没。 其三、在月食出现的时候，落在月面上的地球影子总是弧形的。 2.地球的大小最早是在公元前250年由古埃及亚历山大城图书馆馆长埃拉托色埃拉托色 尼尼测量的。 在我国盛唐时期，一位名叫张遂的高僧（法号一行）组织了一次大规模的天文大 地测量。此次测量在全国各地设置了12个测量点，测量方法是“立竿 见影”，即在 地面竖起一个8尺高的“圭表”
6、测量太阳影子，利用太阳影子的长度计算子午线长度。 一行测出，子午线上1度相当于13203千米长，比现在使 用的数值1度等于 111.2千米大得多。虽然测量结果不很理想，但在当时的条件下，能做到这一点已 经很不容易。 3. 北极星或正午太阳在海平面上的高度来确定纬度，但无法测经度。经度的测定 （时钟和月亮钟、电报的发明） 4. 麦哲伦环球旅行的成功，再一次证明地球是圆的。 麦哲伦环绕一周大部分船员包括他自己死亡； “哥伦布的远航是为了证明地球是园的”错误。 五、对太阳系的认识五、对太阳系的认识 古人观察时发现大部分星星的相对位置保持不变（恒星），只有少数几颗星星 相对运动着（行星）。 由于视力所
7、限，所观察到的行星都是太阳系的。 1. 地球中心论地球中心论 地球是宇宙的中心,这种观念也符合人们的日常观察； 其缺点包括行星逆行和亮度变化的问题。 以地球为球心的同心球，每个行星与地球的距离是固定的，那么从地球上看，它们的亮度应该没有变化， 而实际上除了金星的亮度大致不变外，其他行星的亮度是会有变化的，表明它们与地球的距离会改变。 2.太阳居中论太阳居中论 在公元前3世纪，古希腊天文学家阿利斯塔克已提出恒星和太阳静止不动，地球 和行星在以太阳为中心的不同圆形轨道上绕太阳运行，地球每天绕轴自转一周。 哥白尼（1473-1543）在1543年提出太阳才是宇宙的中心。 托勒密模型很难解释的许多天文
8、现象，日心说能够轻而易举地解释。例如:行星的 逆行问题，很容易解释成是因为行星环绕太阳运行，从同样在环绕太阳运行的地 球上观察时产生的视差。 日心说的另一个优势是可以确定各个行星轨道的次序。 在柏拉图的模型中，各个天体与地球的距离从近到远 依次是月亮、太阳、金星、水星、火星、木星、土星 和恒星。而在托勒密的模型中，这个顺序则是月亮、 水星、金星、太阳、火星、木星、土星和恒星。 最成问题的是水星和金星，究竟哪一个与地球的距离 更近，用地心说难以确定。 在地心说模型中，各种天体不管它们多么不同，与地球的距离有多远，都每隔24小 时环绕地球一周。这很难让人理解。 在日心说模型，这个现象的原因就简单明
9、了：那是地球自转造成的假象。日心说也 就是地动说，把天体的东升西沉解释为地球绕自转轴自西向东转动造成的假象。 但是日心说带来了新的问题。 地球的自转速度应该非常快（按现在的测量结果，在地球赤道上的自转线速度为465 米秒），那么为什么人们觉察不到地球的运动？就像在快速行驶的车上人们能感觉 到迎面吹来的风一样，地球以这么快的速度自西向东转，那么就应该有东风持续在吹， 为什么没有？我们从塔上抛下一块石头，在它落地的时候，如果地球在自转，它应该 落到了后面，为什么还落在塔底？同理，为什么飞鸟和云彩没有被地球的自转甩到后头？ 这些日常生活的观察似乎都与地动说相矛盾。 日心说还存在另一个问题。 如果地球
10、在绕着太阳公转，在公转轨道的不同位置上观测恒星，应该看到恒星在天 球上的位置发生了变化，也就是出现了视差，星座的形状在一年之中会出现变化。 但是肉眼和最初的望远镜都看不到恒星视差，星座的形状保持不变，这似乎意味着 地球并没有在围绕着太阳运动。 看不到恒星视差的真正原因是由于恒星离地球非常远，它们与地球的相对位置的变化 极为细微，但是这意味着宇宙非常浩瀚，超出了古代天文学家的想像，所以他们不考 虑这种可能性。 没有恒星视差被认为是日心说的一个致命弱点。 另一个观察也对地心说有利。金星的亮度在一年的大部分时间内都差不多，这似乎 表明金星与地球的距离保持不变，符合地心说模型，用日心说则难以解释，按日
11、心 说，金星和地球都在围绕太阳运转，它们之间的相对位置会发生变化，金星的亮度 也应该发生变化。 由于这些原因，虽然日心说早就有人提出，但是一直没有受到重视。何况阿利斯塔 克提出的只是一个简单的定性模型，并不能用于预测天体运行。 哥白尼为日心说创建了第一个数学模型，试图与实际观测结果结合起来，但是其精 确程度还不如托勒密模型。这并不奇怪，托勒密模型本来就是根据实际观察结果拼 凑起来的。其实，在数学上日心说和地心说模型可以做到等价，达到相同的精确程 度。 但是哥白尼并不是一个很好的天文观测者，而且他的某些观念比托勒密还落后（例 如坚持认为天体只能做匀速正圆运动），虽然为了能符合观测结果，他也保留了
12、托 勒密模型中的行星本轮，但是精确度仍然不如托勒密模型。 3. 第谷的观察第谷的观察 丹麦天文学家第谷（15461601）试图把日心说的理论解释优势和地心说的实际 观测优势结合起来，提出了一个调和模型。在第谷的模型中，地球仍是宇宙的中心， 太阳和月球围绕着地球运动，但是其他的天体则围绕着太阳运动。 第谷被认为是天文望远镜发明之前最伟大的天文学家，手中掌握着当时最精确的行 星观测数据，需要有人加以整理。 4. 开普勒的总结开普勒的总结 众所周知的三大定律 5. 伽利略的贡献伽利略的贡献 日心说的天文观测证据是由伽利略（15641642）提供的。 伽利略手中多了一样第谷所没有的东西：天文望远镜。
13、其他贡献（月球表面、银河系恒星） 伽利略发现有4颗卫星围绕着木星运行 ；金星像月球一样会出现周期性的盈亏变化。 1838年，德国天文学家贝塞耳用太阳仪首次观测到恒星视差 。 1851年，法国物理学家傅科在巴黎先贤祠的大厅做了“傅科摆”实验。 从而最终证明了日心说的正确 。 6. 大师的出现大师的出现 -牛顿牛顿 a. 牛顿的前半生：生世、性格、成就 与笛卡尔思想的关系-（惯性、原子论、 代数和几何）、月-地的思考、光学、牛顿的望远镜和土星的卫星等、解决潮 汐理论、预言哈雷彗星的回归，海王星的发现 b. 牛顿成就与哈雷、胡克（万有引力）、惠更斯（牛顿第二定律）的关系，哈 雷促使自然哲学的数学原理
14、的出版 c. 牛顿的后半生：追逐名利、铸币局局长、精神病 d. 牛顿理论的局限性：引力的“因”（笛卡尔的“接触才有力”）、行星之间力的影响、 神（人格化的神和自然神）、与恒星静止假想的关系（均衡宇宙和夜晚的黑暗 等）、水星进动、动力学混沌 7. Other selected pioneers and milestones in the advance of Astronomy: a. 18th Century, William Herschel discovered Uranus, a new planet beyond Jupiter. Barely visible with the una
15、ided eye, Herschel made the observation with his telescope . b. Early in the 19th Century Adams (English) stars build the heavy elements via nuclear fusion reactions. n. 1954 Radio Galaxies o. 1960-63 Quasars p. 1960s X-ray 古中国的盖天说、浑天说 c. 古希腊 伊卡洛斯只飞到几千英尺高度时，就被太阳的热 把他翅膀里的蜡熔化掉；太阳神阿波罗之子菲尔顿驾驶 太阳失控时，就像一辆
16、撞到路标的马车一般，冲进群星 之中，然后弹回地面（一路掉下来还把埃塞尔比亚人烤得焦黑） 二维空间：（天球、浑天说） 遗迹： 英格兰的巨石阵（夏至和冬至日出方位）、埃及吉萨金字塔 （对准北极星）、中国人对哈雷彗星的观察（240BC -1059BC） 二、古人二、古人（欧洲中世纪前）（欧洲中世纪前）的发现和解释的发现和解释 1. 认为恒星在天球上的位置是固定的，而行星的位置却是变化的，星体 （后来所称的行星或卫星）运行周期不一样：月球 28，太阳 365+1/4， 水星88，土星29+1/2 2.星体的逆行，轨道略微相互倾斜 3.古代苏美尔人 星辰西沉后沿着地底河流游向东边-显然它不能精确预言一
17、些天文现象。 4.毕达哥拉斯-神秘主义鼻祖，天体运动轨迹是园， “morning star” and “evening star”是同一个星星是同一个星星 。 5.欧多克斯-巴门尼德斯的天球理论、 和柏拉图的关系、27天球； 6.巴比伦的天文记录； 7.亚里斯多德-和柏拉图学院的关系 、 组合天球 行星运行速度和方向都在变，例如， 它们有时运行速度会慢下来，然后反 方向运行一段时间。欧多克斯给每颗 行星加了4个球层：一个解释行星每 天的运动，一个解释行星在黄道带上 的运动，另外两个球层的转动方向相 反，用于解释行星的逆行现象。 8.托勒密：偏心园、本轮 以上认识的共同点：地球是中心。 9. 阿
18、利斯塔克斯的日心论（阿基米德提及，太阳与月亮到地球的距离大小） 三、古人所认为的宇宙的大小三、古人所认为的宇宙的大小 1. 天球论中星体速度与宇宙大小的关系 2. 地球的自转与速度 4. 托勒密的小宇宙得势、日心论被遗忘 5. 阿基米德的琐事（自由公民的脾气）和希腊科学的衰落 6. 罗马文化的特点 、（欧几里德一个学生大声质疑学几何有什么用时， 给他一枚钱币，因为他以为学东西就一定要有用） 3. 与阿基米德的大宇宙论（角朔一的亮度在不同季节的变化） 7. 基督教、伊斯兰教（可兰经：研究大自然和利用技术掌握大自然，崇拜 托勒密），中世纪的黑暗（宇宙与摩西的圣殿和所有行星都是由天使 推 着跑） 四
19、、古人对地球的认识四、古人对地球的认识 1.亚里士多德提出了地球是圆形的3个证据： 其一、一个人在南北方向上旅行时.总有星星从他前面的地平线上升起来， 也总有星星在他身后没入地平线。 其二、站在 高处观看大海中的帆船，当船驶近时总是先见船桅，后见船身； 离开时总是船身先没，船桅后没。 其三、在月食出现的时候，落在月面上的地球影子总是弧形的。 2.地球的大小最早是在公元前250年由古埃及亚历山大城图书馆馆长埃拉托色埃拉托色 尼尼测量的。 在我国盛唐时期，一位名叫张遂的高僧（法号一行）组织了一次大规模的天文大 地测量。此次测量在全国各地设置了12个测量点，测量方法是“立竿 见影”，即在 地面竖起一
20、个8尺高的“圭表”测量太阳影子，利用太阳影子的长度计算子午线长度。 一行测出，子午线上1度相当于13203千米长，比现在使 用的数值1度等于 111.2千米大得多。虽然测量结果不很理想，但在当时的条件下，能做到这一点已 经很不容易。 3. 北极星或正午太阳在海平面上的高度来确定纬度，但无法测经度。经度的测定 （时钟和月亮钟、电报的发明） 4. 麦哲伦环球旅行的成功，再一次证明地球是圆的。 麦哲伦环绕一周大部分船员包括他自己死亡； “哥伦布的远航是为了证明地球是园的”错误。 五、对太阳系的认识五、对太阳系的认识 古人观察时发现大部分星星的相对位置保持不变（恒星），只有少数几颗星星 相对运动着（行
21、星）。 由于视力所限，所观察到的行星都是太阳系的。 1. 地球中心论地球中心论 地球是宇宙的中心,这种观念也符合人们的日常观察； 其缺点包括行星逆行和亮度变化的问题。 以地球为球心的同心球，每个行星与地球的距离是固定的，那么从地球上看，它们的亮度应该没有变化， 而实际上除了金星的亮度大致不变外，其他行星的亮度是会有变化的，表明它们与地球的距离会改变。 2.太阳居中论太阳居中论 在公元前3世纪，古希腊天文学家阿利斯塔克已提出恒星和太阳静止不动，地球 和行星在以太阳为中心的不同圆形轨道上绕太阳运行，地球每天绕轴自转一周。 哥白尼（1473-1543）在1543年提出太阳才是宇宙的中心。 托勒密模型
22、很难解释的许多天文现象，日心说能够轻而易举地解释。例如:行星的 逆行问题，很容易解释成是因为行星环绕太阳运行，从同样在环绕太阳运行的地 球上观察时产生的视差。 日心说的另一个优势是可以确定各个行星轨道的次序。 在柏拉图的模型中，各个天体与地球的距离从近到远 依次是月亮、太阳、金星、水星、火星、木星、土星 和恒星。而在托勒密的模型中，这个顺序则是月亮、 水星、金星、太阳、火星、木星、土星和恒星。 最成问题的是水星和金星，究竟哪一个与地球的距离 更近，用地心说难以确定。 在地心说模型中，各种天体不管它们多么不同，与地球的距离有多远，都每隔24小 时环绕地球一周。这很难让人理解。 在日心说模型，这个
23、现象的原因就简单明了：那是地球自转造成的假象。日心说也 就是地动说，把天体的东升西沉解释为地球绕自转轴自西向东转动造成的假象。 但是日心说带来了新的问题。 地球的自转速度应该非常快（按现在的测量结果，在地球赤道上的自转线速度为465 米秒），那么为什么人们觉察不到地球的运动？就像在快速行驶的车上人们能感觉 到迎面吹来的风一样，地球以这么快的速度自西向东转，那么就应该有东风持续在吹， 为什么没有？我们从塔上抛下一块石头，在它落地的时候，如果地球在自转，它应该 落到了后面，为什么还落在塔底？同理，为什么飞鸟和云彩没有被地球的自转甩到后头？ 这些日常生活的观察似乎都与地动说相矛盾。 日心说还存在另一
24、个问题。 如果地球在绕着太阳公转，在公转轨道的不同位置上观测恒星，应该看到恒星在天 球上的位置发生了变化，也就是出现了视差，星座的形状在一年之中会出现变化。 但是肉眼和最初的望远镜都看不到恒星视差，星座的形状保持不变，这似乎意味着 地球并没有在围绕着太阳运动。 看不到恒星视差的真正原因是由于恒星离地球非常远，它们与地球的相对位置的变化 极为细微，但是这意味着宇宙非常浩瀚，超出了古代天文学家的想像，所以他们不考 虑这种可能性。 没有恒星视差被认为是日心说的一个致命弱点。 另一个观察也对地心说有利。金星的亮度在一年的大部分时间内都差不多，这似乎 表明金星与地球的距离保持不变，符合地心说模型，用日心
25、说则难以解释，按日心 说，金星和地球都在围绕太阳运转，它们之间的相对位置会发生变化，金星的亮度 也应该发生变化。 由于这些原因，虽然日心说早就有人提出，但是一直没有受到重视。何况阿利斯塔 克提出的只是一个简单的定性模型，并不能用于预测天体运行。 哥白尼为日心说创建了第一个数学模型，试图与实际观测结果结合起来，但是其精 确程度还不如托勒密模型。这并不奇怪，托勒密模型本来就是根据实际观察结果拼 凑起来的。其实，在数学上日心说和地心说模型可以做到等价，达到相同的精确程 度。 但是哥白尼并不是一个很好的天文观测者，而且他的某些观念比托勒密还落后（例 如坚持认为天体只能做匀速正圆运动），虽然为了能符合观
26、测结果，他也保留了托 勒密模型中的行星本轮，但是精确度仍然不如托勒密模型。 3. 第谷的观察第谷的观察 丹麦天文学家第谷（15461601）试图把日心说的理论解释优势和地心说的实际 观测优势结合起来，提出了一个调和模型。在第谷的模型中，地球仍是宇宙的中心， 太阳和月球围绕着地球运动，但是其他的天体则围绕着太阳运动。 第谷被认为是天文望远镜发明之前最伟大的天文学家，手中掌握着当时最精确的行 星观测数据，需要有人加以整理。 4. 开普勒的总结开普勒的总结 众所周知的三大定律 5. 伽利略的贡献伽利略的贡献 日心说的天文观测证据是由伽利略（15641642）提供的。 伽利略手中多了一样第谷所没有的东
27、西：天文望远镜。 其他贡献（月球表面、银河系恒星） 伽利略发现有4颗卫星围绕着木星运行 ；金星像月球一样会出现周期性的盈亏变化。 1838年，德国天文学家贝塞耳用太阳仪首次观测到恒星视差 。 1851年，法国物理学家傅科在巴黎先贤祠的大厅做了“傅科摆”实验。 从而最终证明了日心说的正确 。 6. 大师的出现大师的出现 -牛顿牛顿 a. 牛顿的前半生：生世、性格、成就 与笛卡尔思想的关系-（惯性、原子论、 代数和几何）、月-地的思考、光学、牛顿的望远镜和土星的卫星等、解决潮 汐理论、预言哈雷彗星的回归，海王星的发现 b. 牛顿成就与哈雷、胡克（万有引力）、惠更斯（牛顿第二定律）的关系，哈 雷促使
28、自然哲学的数学原理的出版 c. 牛顿的后半生：追逐名利、铸币局局长、精神病 d. 牛顿理论的局限性：引力的“因”（笛卡尔的“接触才有力”）、行星之间力的影响、 神（人格化的神和自然神）、与恒星静止假想的关系（均衡宇宙和夜晚的黑暗 等）、水星进动、动力学混沌 7. Other selected pioneers and milestones in the advance of Astronomy: a. 18th Century, William Herschel discovered Uranus, a new planet beyond Jupiter. Barely visible wit
29、h the unaided eye, Herschel made the observation with his telescope . b. Early in the 19th Century Adams (English) stars build the heavy elements via nuclear fusion reactions. n. 1954 Radio Galaxies o. 1960-63 Quasars p. 1960s X-ray 反之，磁场的耗散效应将起主导作用。反之，磁场的耗散效应将起主导作用。 第四章 主序恒星 4.1 恒星演化概貌 4.2 恒星的形成 4.
30、3 球对称恒星的引力平衡 与平衡态附件的振荡 4.4 恒星内部的核燃烧过程 4.5 主序恒星的结构方程 4.6 旋转恒星的平衡位形 4.7 双星系统中恒星质量的测定 4.1恒星演化概貌 1.星际介质 星系内恒星与恒星之间的物质。 包括星际气体、星际尘埃、宇宙线与星际磁场。 星际物质的质量约占银河系恒星质量的10%。 星际气体主要由H2构成，也包含CO, H2O等。 星际尘埃主要成分为硅或石墨微粒，外面被 冰或二氧化碳包裹。 星际分子聚集成团形成分子云。 存在一类温度高达106-107 K的热气体，称为云际冕气，这些气体的高温主要来自 超新星的加热。 性质气体尘埃 质量百分比99%1% 组成HI
31、, HII, H2 (70%); He (28%); N, Ne, Na等(2%) 固体粒子（直径 0.01- 0.1m），如冰、硅、 石墨等 粒子数密度1 cm-3 (vacuum: 104 cm-3) 10-13 cm-3 质量密度10-24 gcm-310-27 gcm-3 温度 100 K, 104 K, 50 K ( HI, HII, H2) 10-20 K 研究手段星际吸收线、分子谱线星际消光和红化、星际 极化、红外热辐射 The Rosette Nebula NGC 2244 Hydrogen Oxygen 马头星云 鹰云 大量的尘埃阻挡了 星云内部或后面恒 星的星光。 2. 恒
32、星形成和演化概貌 恒星形成于分子云内部。 星云的坍缩造成恒星成群形成。 星云坍缩、分裂、加热 原恒星（引力） 主序星（核反应） 恒 星 的 演 化 过 程 假设热压是恒星平衡引力的主要因素，则恒 星损失的热辐射越多，引力压缩就越强，其内 部的密度、温度也越高。因此恒星为极端“负 热容”的体系，不可能稳定存在。 事实上，随着中心密度的增加，起源于微观 费米子之间的简并压将升高的比热压快，最终 恒星成为以简并压为支撑的白矮星、中子星， 若简并压也平衡不了引力，星体将塌缩为黑洞。 3. 恒星必然演化的原因 4. 恒星演化的结局依赖于初始质量 4.2 恒星的形成 银河系内的恒星形成过程 银河系（可见）
33、质量 1011M，年龄 1010 yr 银河系平均恒星诞生率 10 Myr-1 O型星寿命106 yr O型星是最近形成的天体 目前的诞生率 3 Myr-1 1、引力不稳定性- 金斯（Jeans）不稳定性 星云的不稳定性 a. 无限大的均匀分布的星云的稳定性 b. 某区域的微扰的后果 - 热压力引力 假设压强则引力与压力的要求为 更加仔细的运算可得 临界长度 被称为 Jeans 长度。 这一临界条件也可用临界密度和临界质量表征。 当星云足够庞大时，（向内的）重力超过由热运动和湍动产 生的（向外的）压力，引起星云的收缩。星云不稳定的极限 质量称为金斯（Jeans）质量。 临界尺度的估算 中性氢云
34、：n 1 cm-3, T 100 K MJ3104 M 暗分子云：n 106 cm-3, T 10 K MJ1 M 恒星形成于巨分子云中 恒星成群形成 对具确定尺度L的分子云， 可导得 Jeans 密度 和 Jeans 质量 当分子云密度大于 Jeans 密度、质量大于 Jeans 质量 或尺寸大于 Jeans 半径， 则分子云必将引力塌缩。 塌缩时标 2、恒星的形成过程 阶段观测天体核心温 度 (K) 表面温 度 (K) 核心密度 (cm-3) 直径 (cm) 持续时间 (yr) 1星际云101010310192106 2云块1001010610173104 (1) 星际云 (interst
35、ellar cloud) 星云坍缩，并分裂成小云块（密度上 升，金斯质量减小）。 (2) 星云团块 (cloud fragment) 星云仍十分稀薄，热量可以不受阻碍 地散逸，星云内的温度没有明显上 升 。 (3) 团块/原恒星 (fragment/protostar) 星云进一步坍缩和分裂，密度上 升。 核心区域变得不透明，温度迅速 上升，金斯质量增大。 星云停止分裂，云块开始坍缩。 阶段观测天体核心温 度 (K) 表面温 度 (K) 核心密度 (cm-3) 直径 (cm) 持续时 间 (yr) 3云块/原恒星10410010121015105 (4) 原恒星 (protostar) 原恒星
36、以Kelvin-Helmhotz时 标（引力能辐射）收缩，温 度进一步升高。 阶段观测天体核心温 度 (K) 表面温 度 (K) 核心密度 (cm-3) 直径 (cm) 持续时 间 (yr) 4原恒星106300010181013106 (5) 主序前星 (pre-main-sequence star) 原恒星向主序演化成为主序 前星（金牛座T型星）， 但 内部温度还没有升高到H的点 火温度。 阶段观测天体核心温 度 (K) 表面温 度 (K) 核心密度 (cm-3) 直径 (cm) 持续时 间 (yr) 5主序前星5106400010221012107 (6) 零龄主序 (zero-age
37、main- sequence star) 恒星到达主序，热核反应（H燃 烧）开始进行，成为零龄主序 恒星。光度约为现在太阳光度 的2/3。 (7) 主序星 (main-sequence star) 恒星略微收缩，达到流体静力 学平衡。 阶 段 观测天体核心温 度 (K) 表面温 度 (K) 核心密 度 (cm-3) 直径 (cm) 持续时 间 (yr) 6零龄主序10745001025210113107 7主序星1.5107600010261.510111010 原恒星质量 (M)0.21.05.015.0 原恒星演化时间 (yr)109310771066104 具有不同质量恒星的形成 不同质
38、量的恒星在形成过 程中，在H-R图上沿不同 的路径演化。 质量越高的恒星，其原恒 星演化到主序的时间越短， 在主序上的位置越高。 3. 星云坍缩的触发机制 (1) 激波压缩 超新星爆发、热星辐射 或银河系旋臂转动等过 程产生激波。 激波压缩附近的星云， 使其密度增大，触发恒 星的形成。 恒星形成过程可能类似 于链式反应。 (2) 星云碰撞辐射冷却坍缩 猎户星云 (M42)，位于猎户之剑附近，距离约 1000 ly。 4、恒星形成的观测证据 光学照片。左下方棒形物 是受到中心“梯形恒星” (trapezium stars) 辐射电离 而发光的气体。 红外照片。在右上方有 一个明亮的星云，其中 的
39、橙色区域是被恒星星 风驱散的氢分子。 （左）光学（放大）照片。图中“梯形恒星”清晰可 见。（右）红外（放大）照片。可以看到成团的新生 恒星，被光学星云后面的尘埃云包裹。 “梯形恒星”的放大 照片。它们照亮了周 围的气体。 猎户星云中的原恒星及其周 围的尘埃盘。 原恒星星风 原恒星在吸积过程中有强烈 的星风和喷流。（非平衡效 应，理解不够深入） 喷流与周围星际介质相互作 用的产生Herbig-Haro天体。 Gas Outflows from Young Stars XZ Tauri HH 30 一、恒星的流体静力学平衡 对半径为r、厚度为dr的球壳内面积为dA的气体元， 重力 dFgGM(r)
40、 dM/r2 GM(r)dAdr/r2 压力 dFPPdA( P + dP ) dAdPdA 0dFg + dFP GM(r)dAdr/r2dPdA dP/drGM(r)/ r2 4.3 球对称恒星的平衡和振荡 造父变星的光变周期越长，其光度也越大。 二、周-光关系 光变的起源： 造父变星：一类高光度周期性脉动变星，如北极星; 恒星光度发生周期性变化是 由于恒星在（绝热）振荡时导致温度发生变化而引起的。 恒星的振荡 因此，恒星振动周期与其平均密度是相关联的。 质量越大的恒星引力越大。 流体静力学平衡要求内部压强越大。 状态方程表明内部温度越高。 产能率越高。 光度越高。 恒星光度依赖于其内部的
41、核合成 速率，它也与平均密度有关的. 总结以上所知： 光度应该与周期有关。 三、状态方程 气体内部的总压强主要由两部分组成： 气体粒子运动产生的气体压强和光子产生的辐射 压强 PPg Prad 非简并气体 (non-degenerate gas) 理想气体状态方程 PgnkTkT/mH 其中: 平均分子量 ，mH : H原子质量 辐射压PradaT4/3 1、恒星内部的物态 假设任意处热压与辐射压之比与该处的密度无关， 则可证 简并气体 (degenerate gas) (1) 电子简并条件：高密、低温。 (2) 电子简并压的物理成因 ： Pauli不相容原理：电子不可能占据两个相同的能态 H
42、eisenberg测不准原理 XPXh (3) 电子简并压 非相对论性电子（v 核子3质量 热核聚变反应要求粒子处于高温高密状态 Sir Arthur S. Eddington (1882 - 1944) 热核反应原理 Einstein质量-能量关系：Emc2 原子核结合能：Q( ZmpNmn )m (Z, N) c2 /A Z核电荷数（原子序数），N 中子数 AZN 原子量 Fe元素具有最大的结合能 结合能较小的原子核聚变 成结合能较大的原子核会 释放能量。 氢核燃烧所需克服的库伦势垒最低，若不 能点燃氢核聚变，则天体不可能成为主序星。 由氢核聚变对能量的要求以及星体质量与温 度的关系可以得
43、到主序星的最小质量。 主序星的最小质量为0.070.08个太阳质量 小于该临界值的天体为褐矮星。 由于宇宙大爆炸时含氘、锂，褐矮星一般能 点燃氢和氘的燃烧，质量大的甚至能使氢和锂 的燃烧。 2. H燃烧 4 1H 4He + E E(4mHmHe) c2(41.6710-246.64410-24) c2 410-5 erg 燃烧效率0.7% (1) 质子-质子链 (pp chain) 8106 K T 2107 K, M 1.5M ppI: 1H + 1H 2H + e+ +e 2H + 1H 3He + 3He + 3He 4He + 2 1H (2) 碳氮氧循环 (CNO cycle) T
44、2107 K, M1.5M 12C + 1H 13N + 13N 13C + e+ +e 13C + 1H 14N + 14N + 1H 15O + 15O 15N + e+ +e 15N + 1H 12C + 4He 质子-质子链与碳氮氧循环核反应的比较 3. 比H更重的元素的燃烧 He燃烧 (3反应) T108 K 3 4He 12C + 4He + 4He 8Be 8Be + 4He 12C + 碳燃烧 T6108 K 12C + 12C 24Mg + 23Na + p 20Ne + 4He 23Mg + n 16O + 2 4He 氧燃烧 T1.5109 K 12O + 12O 32S
45、 + 31P + p 28Si + 4He 31S + n 24Mg + 2 4He 硅燃烧 T1.5109 K 28Si + 28Si 56Ni + 56Ni 56Fe + 2e+ + 2e 当恒星内部形成Fe后，由于Fe的聚变反应 吸热而不是放热，恒星内部的热核反应由此 停止。 4. 恒星所经历的核反应按质量大小分类 按照所经历的核反应过程可以将恒星按 质量大小分为低、中等和大质量恒星。 氢-经燃烧后形成氦核心向外分层燃烧 -使得体积增大形成红巨星。 当氦核心的质量增加至约0.45 太阳质量， 氦核心经过氦闪而升温，开始氦燃烧形 成碳氧核心。 （质量下限2太阳质量） 大质量恒星点燃碳氧燃烧
46、-形成铁核心。 （质量下限510太阳质量） 在理解核反应的基础上进一步理 解恒星主序后的演化 一、 低质量 (M 2.25M) 恒星的演化 (1) 与低质量恒星演化的主要区别 恒星内部的H燃烧通过CNO循环进行，内部温度 更高，辐射压对维持恒星的力学平衡起更大的作 用，主序寿命更短。 He核不再是简并的，C和更重元素的燃烧可以进 行。 核心区核反应产生的能量主要以对流的方式向外 传递。 在H-R图上演化轨迹恒星内部物理过程 1. 恒星向右方移动成为红 超巨星。 核心H枯竭（He核）壳层H燃 烧。 2. 恒星向左方移动。核心He平稳燃烧RcRT 3. 恒星向右上方攀升至红 超巨星。 核心He枯竭
47、（CO核） 壳层He和H燃烧 RT 4. 恒星向左方移动，然后 折向右下方(?) 红超巨星 ( 热脉冲、超星风 ) 行星状星云 + 高温简并CO核 CO核坍缩高温白矮星 白矮星冷却黑矮星 (2) 中等质量（M5M）恒星的演化 5M恒星的演化 中等质量恒星的演化 (3) 高质量恒星的演化 演化表现 ： O型星蓝超巨星黄超巨星红超巨星超新星 恒星内部物理过程 ： 核心H枯竭壳层H燃烧 核心He燃烧核心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 A Massive Star at The End of Its Life 核坍缩与超新星爆发
48、核心核反应停止 R cTc Fe核光致离解 4He光致离解 e- + p n + e 能量损失 Pe R cTc 星核坍缩 当c =nu，核坍缩停止 激波反弹 壳层抛射 II型超新星爆发 中子星 恒星初始质量 (M)演化结局 0.01行星 0.01 M 0.08褐矮星 0.08 M 0.25He白矮星 0.25 M 8CO白矮星? 8 M 12ONeMg白矮星? 12 M 40超新星黑洞? 不同质量恒星的演化结局 太阳中微子问题 (The Solar Neutrino Problem) 中微子是一种不带电、质量极小的亚原子 粒子，它几乎不与任何物质发生相互作用。 太阳内部H核聚变释放能量的5%
49、被中微子 携带向外传输，每秒大约有1015个中微子穿 过我们的身体。 太阳中微子的探测原理 (1) 中微子与C2Cl4相互作用 37Cl + 37Ar + e (2) 37Ar俘获内壳层电子 37Ar + e 37Cl + (3) 37Cl退激发释放光子 Homestake金矿中微子实验室 1.6 km C2Cl4 中微子探测器 宇宙线 Ar Argon Atom 100,000 gal. tank 金矿 Ar 太阳中微子失踪案 实际测量到的太阳中微子数目只有理论计算值的 约2/3。 可能的原因： (1)太阳内部结构与成分与太阳标准模型差异 (2)中微子物理中微子振荡 电子中微子、中微子和中微
50、子。 揭示中微子失踪之谜 Measurement of the rate of e + dp + p + e Q.R. Ahmad et al. (178 persons) 2001年，SNO的观测结果证实中微子事实上没 有失踪，只是在离开太阳后转化成中微子和 中微子，躲过了此前的探测，这间接证明中微 子具有质量。 4.5 主序恒星的结构方程 4.6 旋转恒星的平衡位形 （1）双星系统 由在彼此引力作用下互相绕转的两颗恒星组成的双 星系统。 大部分的恒星位于双星和聚星系统中。 组成双星的两颗恒星均称为双星的子星（主星、伴 星），以椭圆轨道相互绕转。 4.7 双星系统中恒星质量的测定 研究双星的
