宇宙結(jié)構(gòu)與恒星演化稿

1、宇宙結(jié)構(gòu)和恒星演化宇宙結(jié)構(gòu)和恒星演化 一、宇宙的結(jié)構(gòu)一、宇宙的結(jié)構(gòu) 太陽系 銀河系和河外星系 宇宙 地球和月球 問題一：在地面上我們是如何知道大地是球狀的？ 月食時地球投到月亮上的影子是圓形的 船只沒入海時，漸漸沒入地平線，最后 完全消失在地球弧線下方 北方中午時分的太陽在天空的位置較低 問題二：我們怎樣知道地球在旋轉(zhuǎn)？ 恒星的周日視運動 問題三：月球為什么總是以同一個面對著地球？ 問題四：月球背對地球的那一面為什么比面向地 球那一面更加粗糙不平？ 問題五：月球的存在對地球有什么影響？ 月球成因的猜想： 太陽和太陽系 問題一：太陽的能量從何而來？ 問題二：太陽系有著怎樣的結(jié)構(gòu)？ 銀河系和 河外

2、星系 橢圓星系 棒旋星系 旋渦星系 宇宙 天文學(xué)家把所有的空間及其中的萬物定義為宇宙。 目前人類最遠能看到150億光年以外的天體，這是目前人類所能觀測 到的最大宇宙范圍。 在大尺度上（億光年以上的結(jié)構(gòu)）看，宇宙物質(zhì)的分布是均勻的。 宇宙的起源 我們觀察到的宇宙究竟是怎樣一幅圖景？ 一張迄今為止最為精細的宇宙“嬰兒期”照片，對137億年前的宇宙 作出了富含大量細節(jié)的圖像描述。照片來自于太空中的“威爾金森 微波各向異性探測器” 二、恒星的演化過程二、恒星的演化過程 n恒星： 像太陽一樣，所有的恒星都是熾熱的巨大的發(fā)光氣體球。 恒星大多由氫構(gòu)成，由核聚變產(chǎn)生能量。太陽只是一顆中等亮度的恒 星。 恒星

3、的分類 天文學(xué)家根據(jù)恒星的物理特征來分類，用來分類的主要特征是：恒星 的體積、溫度和亮度 恒星按體積又大到小可分為：超巨型、巨星、中型星（太陽）、白矮 星、中子星。 中行星(太陽) 白矮星 中子星 巨星 超巨星 恒星顏色、溫度和亮度的一些關(guān)系(P80) 恒星離我們的距離如何測定？ 我們怎樣知道恒星的組成物質(zhì)？ 光譜分析 氫 鈣 鈉 氦 星云 原恒星 （幼年） 主序星 （青壯年） 紅巨星或 超紅巨星 （中老年） 白矮星 （小質(zhì) 量恒星) 中子星或黑 洞（大質(zhì)量 恒星） 恒星的壽命取決于它的質(zhì)量 恒星的誕生 在星際空間普遍存在著極其稀薄的物質(zhì)，主要由氣體和塵埃構(gòu)成。它 們的溫度約10100K，密度

4、約10-2410-23g/cm3，相當(dāng)于1cm3中有1 10個氫原子。星際物質(zhì)在空間的分布并不是均勻的，通常是成塊地出現(xiàn)， 形成彌漫的星云。星云里3/4質(zhì)量的物質(zhì)是氫，處于電中性或電離態(tài)，其 余約1/4是氦以及極少數(shù)比氦更重的元素。在星云的某些區(qū)域還存在氣態(tài) 化合物分子，如氫分子、一氧化碳分子等。如果星云里包含的物質(zhì)足夠 多，那么它在動力學(xué)上就是不穩(wěn)定的。在外界擾動的影響下，星云會向 內(nèi)收縮并分裂成較小的團塊，經(jīng)過多次的分裂和收縮，逐漸在團塊中心 形成了致密的核。當(dāng)核區(qū)的溫度升高到氫核聚變反應(yīng)可以進行時，一顆 新恒星就誕生了。 Eagle星云 恒星正在這里形成 恒星的演化：主序星紅巨星與超紅巨

5、星 主序星（恒星的青壯年） 恒星以內(nèi)部氫核聚變?yōu)橹饕茉吹陌l(fā)展階段就是恒星的主序 階段。 處于主序階段的恒星稱為主序星。主序階段是恒星的青壯年 期，恒星在這一階段停留的時間占整個壽命的90%以上。這是一個 相對穩(wěn)定的階段，向外膨脹和向內(nèi)收縮的兩種力大致平衡，恒星 基本上不收縮也不膨脹。恒星停留在主序階段的時間隨著質(zhì)量的 不同而相差很多。質(zhì)量越大，光度越大，能量消耗也越快，停留 在主序階段的時間就越短。例如：質(zhì)量等于太陽質(zhì)量的15倍、5倍、 1倍、0.2倍的恒星，處于主序階段的時間分別為一千萬年、七千 萬年、一百億年和一萬億年。 目前的太陽也是一顆主序星。太陽現(xiàn)在的年齡為46億多年， 它的主序階

6、段已過去了約一半的時間，還要50億年才會轉(zhuǎn)到另一 個演化階段。與其他恒星相比，太陽的質(zhì)量、溫度和光度都大概 居中，是一顆相當(dāng)?shù)湫偷闹餍蛐恰Ｖ餍蛐堑暮芏嘈再|(zhì)可以從研究 太陽得出，恒星研究的某些結(jié)果也可以用來了解太陽的某些性質(zhì)。 紅巨星與超紅巨星（恒星的中老年） 當(dāng)恒星中心區(qū)的氫消耗殆盡形成由氦構(gòu)成的核球之 后，氫聚變的熱核反應(yīng)就無法在中心區(qū)繼續(xù)。這時引力 重壓沒有輻射壓來平衡，星體中心區(qū)就要被壓縮，溫度 會急劇上升。中心氦核球溫度升高后使緊貼它的那一層 氫氦混合氣體受熱達到引發(fā)氫聚變的溫度，熱核反應(yīng)重 新開始。如此氦球逐漸增大，氫燃燒層也跟著向外擴展， 使星體外層物質(zhì)受熱膨脹起來向紅巨星或紅超巨

7、星轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化期間， 氫燃燒層產(chǎn)生的能量可能比主序星時期還要多，但星體表面溫度不僅 不升高反而會下降。其原因在于：外層膨脹后受到的內(nèi)聚引力減小， 即使溫度降低，其膨脹壓力仍然可抗衡或超過引力，此時星體半徑和 表面積增大的程度超過產(chǎn)能率的增長，因此總光度雖可能增長，表面 溫度卻會下降。質(zhì)量高于4倍太陽質(zhì)量的大恒星在氦核外重新引發(fā)氫 聚變時，核外放出來的能量未明顯增加，但半徑卻增大了好多倍，因 此表面溫度由幾萬開降到三、四千開，成為紅超巨星。質(zhì)量低于4倍 太陽質(zhì)量的中小恒星進入紅巨星階段時表面溫度下降，光度卻急劇增 加，這是因為它們外層膨脹所耗費的能量較少而產(chǎn)能較多。 預(yù)計太陽在紅巨星階段將大約停留

8、10億年時間，光度將升高到今天 的好幾十倍。到那時侯，地面的溫度將升高到今天的兩三倍，北溫帶 夏季最高溫度將接近100。 恒星的歸宿 ：與其質(zhì)量有關(guān) 現(xiàn)代恒星演化理論認(rèn)為：如果一顆恒星的質(zhì)量比太陽的質(zhì)量大得多 （12100被太陽質(zhì)量），它最終將猛烈地爆發(fā)成一顆超新星，使星 際氣體中淋透了在該恒星核反應(yīng)中曾產(chǎn)生的所有元素的混合物，并成 為組成下一代恒星的原料（這一過程我們稱為超新星爆炸）。太陽里 所含有的許多元素，地球上巖石的組成等可能來源于此。 有些恒星在其演化的后期也會發(fā)生不太壯觀的變化和噴射，如造父變 星、行星狀星云以及新星等。新星不太激烈的爆發(fā)，可能是由于在一 個雙星系統(tǒng)中兩星間質(zhì)量的交

9、換所形成的。 在爆發(fā)和損失質(zhì)量后，恒星的最終歸宿有以下三種： 質(zhì)量不大于太陽1.4倍的恒星將成為一顆白矮星 ，這種星具有很高的 密度（每立方厘米105107克），以致于電子是簡并態(tài)的（被壓的擠 在一起了），但星球的直徑只有幾千公里（像地球一樣大）。 質(zhì)量在1.4至3倍太陽質(zhì)量的恒星將成為一顆中子星，星體中的質(zhì)子和 電子結(jié)合成為中子，其密度更高（外層：每立方厘米10111014克， 核心：每立方厘米1016克），中子處于簡并態(tài)。 一個黑洞，在黑洞中，恒星的物質(zhì)收縮到如此高的密度，以致于光線 不再能從其中逃逸出來。在大于3被太陽質(zhì)量的恒星中，簡并壓力不 足以支持星對于盈利的抗衡，因此，如果跟大質(zhì)量

10、的恒星在其爆發(fā)過 程中不能噴灑出它的大部分質(zhì)量的話，最終必將成為黑洞。 黒洞 大質(zhì)量恒星的死亡中子星或黑洞 大質(zhì)量恒星經(jīng)過一系列核反應(yīng)后，形成重元素在內(nèi)、輕元素在 外的洋蔥狀結(jié)構(gòu)，其核心主要由鐵核構(gòu)成。此后的核反應(yīng)無法提供 恒星的能源，鐵核開始向內(nèi)坍塌，而外層星體則被炸裂向外拋射。 爆發(fā)時光度可能突增到太陽光度的上百億倍，甚至達到整個銀河系 的總光度，這種爆發(fā)叫做超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)后，恒星的外層 解體為向外膨脹的星云，中心遺留一顆高密天體。 金牛座里著名的蟹狀星云就是公元1054年超新星爆發(fā)的遺跡。 超新星爆發(fā)的時間雖短不及1秒，瞬時溫度卻高達萬億K，其影響更 是巨大。超新星爆發(fā)對于星際物

11、質(zhì)的化學(xué)成分有關(guān)鍵影響，這些物 質(zhì)又是建造下一代恒星的原材料。 超新星爆發(fā)時，爆發(fā)與坍塌同時進行，坍塌作用使核心處的物 質(zhì)壓縮得更為密實。理論分析證明，電子簡并態(tài)不足以抗住大坍塌 和大爆炸的異常高壓，處在這么巨大壓力下的物質(zhì)，電子都被擠壓 到與質(zhì)子結(jié)合成為中子簡并態(tài)，密度達到10億噸/立方厘米。由這種 物質(zhì)構(gòu)成的天體叫做中子星。一顆與太陽質(zhì)量相同的中子星半徑只 有大約10千米。 從理論上推算，中子星也有質(zhì)量上限，最大不能超過大約3倍太 陽質(zhì)量。如果在超新星爆發(fā)后核心剩余物質(zhì)還超過大約3倍太陽質(zhì)量， 中子簡并態(tài)也抗不住所受的壓力，只能繼續(xù)坍縮下去。最后這團物 質(zhì)收縮到很小的時候，在它附近的引力就

12、大到足以使運動最快的光 子也無法擺脫它的束縛。因為光速是現(xiàn)知任何物質(zhì)運動速度的極限， 連光子都無法擺脫的天體必然能束縛住任何物質(zhì)，所以這個天體不 可能向外界發(fā)出任何信息，而且外界對它探測所用的任何媒介包括 光子在內(nèi)，一貼近它就不可避免地被它吸進去。它本身不發(fā)光并吞 下包括輻射在內(nèi)的一切物質(zhì)，就象一個漆黑的無底洞，所以這種特 殊的天體就被稱為黑洞。黑洞有很多奇特的性質(zhì)，對黑洞的研究在 當(dāng)代天文學(xué)及物理學(xué)中有重大的意義。 黒洞 在這些紅色氣體核心10 光年范圍聚集了50多顆 恒星都是年輕而熾熱的 恒星 迄今為止發(fā)現(xiàn)的最年 輕的行星狀星云。在 綠色環(huán)氣體的中間是 明亮的恒星，它的伴 星在它點鐘的方

13、向。 球狀星團中的白矮星 是離地球最近的球狀星團，47 光年擁有超過顆 恒星。從地面望遠鏡看來，那 里有很多明亮的紅巨星，所以 哈勃把M4定為尋找白矮星的星 團。 ngc3132行星狀星云，位 于南半球，一個死亡的 恒星形成的 太空中的恒星爆發(fā)，紫紅 的雙層氣體外殼是恒星噴 射出來的比好幾個太陽質(zhì) 量還大。外層殼大約四光 年，接近太陽與比鄰星的 距離。該恒星位于人馬座 方向25000光年。因為它位 于銀河系中央，被厚厚的 塵埃遮蔽，所以這張圖片 是紅外線攝得。光度相當(dāng) 于10億個太陽 n恒星的一生 人類為什么要探索宇 宙空間？ 花費巨大的宇宙探索 值得嗎？ 宇宙的起源 本世紀(jì)，有兩種“宇宙模型

14、”比較有影響。 一是穩(wěn)態(tài)理論：穩(wěn)態(tài)理論認(rèn)為，宇宙在任何時候，平均來說始終保持 相同的狀態(tài)。 若干世紀(jì)以來，很多科學(xué)家認(rèn)為宇宙除去一些細微部分外， 基本沒有什么變化。宇宙不需要一個開端或結(jié)束。即使是在發(fā)現(xiàn) 宇宙正在膨脹之后，這種想法也沒有被放棄。托馬斯.戈爾德 (Thomas Gold)，赫爾曼.邦迪(Herman Bondi)及弗雷德.霍伊爾 (Fred Hoyle)于40年代后期提出，物質(zhì)正以恰當(dāng)?shù)乃俣炔粩鄤?chuàng)生著， 這一創(chuàng)生速度剛好與因膨脹而使物質(zhì)變稀的效果相平衡，從而使 宇宙中的物質(zhì)密度維持不變。這種狀態(tài)從無限久遠的過去一直存 在至今，并將永遠地繼續(xù)下去。宇宙在任何時候，平均來說始終 保持

15、相同的狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)理論所要求的創(chuàng)生速率很小，每100億年中， 在一立方米的體積內(nèi)，大約創(chuàng)生1個原子。穩(wěn)態(tài)理論的優(yōu)點之一是 它的明確性。它非?？隙ǖ仡A(yù)言宇宙應(yīng)該是什么樣子的 。也正因 如此 ，它很容易遭受觀測事實的質(zhì)疑或反駁。當(dāng)宇宙背景輻射被 發(fā)現(xiàn)后，這一理論基本上已被否定。 1948年，美國的物理學(xué)家伽莫夫提出了宇宙大爆炸學(xué)說。他認(rèn) 為：我們所觀測到的宇宙始于150億年前的一次爆炸性事件。爆炸之 初，宇宙是一個極高溫、高密度的“輻射地獄”，物質(zhì)只能以質(zhì)子、 中子、電子、光子和中微子等基本粒子形態(tài)存在。宇宙爆炸之后的不 斷膨脹，導(dǎo)致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成 原子、原子核、分

16、子，并復(fù)合成通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星云， 星云進一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成我們現(xiàn)在所看到的 宇宙。 二是宇宙大爆炸理論： 1、20年代后期，愛德溫哈勃(Edwin Hubble)發(fā)現(xiàn)遙遠星系的光 波“變長”了（即紅移現(xiàn)象），哈勃大膽推論，遙遠星系光波變長是 由于“宇宙在膨脹”，因為發(fā)光恒星在后退時光速不變的話，我們收 到的光的波長就會大于原來的值。 2、60年代中期，美國的射電天文學(xué)家阿爾諾彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特威爾遜(Robert Wilson)探測到了彌漫全宇宙空間 的微波背景輻射，這種輻射以相同的強度從空間的各個方向射向地球。 它的光譜線與熾熱熔爐內(nèi)

17、的發(fā)光情況完全符合。所以很多科學(xué)家認(rèn)為 背景輻射只能解釋為宇宙大爆炸的直接遺跡，是大爆炸散落的殘余輻 射由于宇宙膨脹冷卻所具有的。 此外，大爆炸理論 曾預(yù)言了今天的宇宙應(yīng)當(dāng)大約有76%的氫和 24%的氦組成，這一預(yù)測與目前對太陽和其他天體物質(zhì)的觀測結(jié)果是 相當(dāng)吻合的。 雖然宇宙大爆炸說有觀測的支持，但它還有很多難以解決的問 題。比如：爆炸前宇宙是什么樣子？大爆炸的能量來自哪里？所以這 還不是最后的定論。 宇宙大爆炸理論的兩大證據(jù)； 宇宙 天文學(xué)家把所有的空間及其中的萬物定義為宇宙。 目前人類最遠能看到150億光年以外的天體，這是目前人類所能觀測 到的最大宇宙范圍。 在大尺度上（億光年以上的結(jié)構(gòu)

18、）看，宇宙物質(zhì)的分布是均勻的。 宇宙的起源 恒星的誕生 在星際空間普遍存在著極其稀薄的物質(zhì)，主要由氣體和塵埃構(gòu)成。它 們的溫度約10100K，密度約10-2410-23g/cm3，相當(dāng)于1cm3中有1 10個氫原子。星際物質(zhì)在空間的分布并不是均勻的，通常是成塊地出現(xiàn)， 形成彌漫的星云。星云里3/4質(zhì)量的物質(zhì)是氫，處于電中性或電離態(tài)，其 余約1/4是氦以及極少數(shù)比氦更重的元素。在星云的某些區(qū)域還存在氣態(tài) 化合物分子，如氫分子、一氧化碳分子等。如果星云里包含的物質(zhì)足夠 多，那么它在動力學(xué)上就是不穩(wěn)定的。在外界擾動的影響下，星云會向 內(nèi)收縮并分裂成較小的團塊，經(jīng)過多次的分裂和收縮，逐漸在團塊中心 形

19、成了致密的核。當(dāng)核區(qū)的溫度升高到氫核聚變反應(yīng)可以進行時，一顆 新恒星就誕生了。 在爆發(fā)和損失質(zhì)量后，恒星的最終歸宿有以下三種： 質(zhì)量不大于太陽1.4倍的恒星將成為一顆白矮星 ，這種星具有很高的 密度（每立方厘米105107克），以致于電子是簡并態(tài)的（被壓的擠 在一起了），但星球的直徑只有幾千公里（像地球一樣大）。 質(zhì)量在1.4至3倍太陽質(zhì)量的恒星將成為一顆中子星，星體中的質(zhì)子和 電子結(jié)合成為中子，其密度更高（外層：每立方厘米10111014克， 核心：每立方厘米1016克），中子處于簡并態(tài)。 一個黑洞，在黑洞中，恒星的物質(zhì)收縮到如此高的密度，以致于光線 不再能從其中逃逸出來。在大于3被太陽質(zhì)量的恒星中，簡并壓力不 足以支持星對于盈利的抗衡，因此，如果跟大質(zhì)量的恒星在其爆發(fā)過 程中不能噴灑出它的大部分質(zhì)量的話，最終必將成為黑洞。 黒洞 大質(zhì)量恒星的死亡中子星或黑洞 大質(zhì)量恒星經(jīng)過一系列核反應(yīng)后，形成重元素在內(nèi)、輕元素在 外的洋蔥狀結(jié)構(gòu)，其核心主要由鐵核構(gòu)成。此后的核反應(yīng)無法提供 恒星的能源，鐵核開始向內(nèi)坍塌，而外層星體則被炸裂向外拋射。 爆發(fā)時光度可能突增到太陽光度的上百