仰望星空：高中天文基礎(chǔ)課程-講義

1、 仰望星空：高中天文基礎(chǔ)課程課程簡介天文學(xué)是探索宇宙奧秘的一門基礎(chǔ)學(xué)科，它是從人類生活和生產(chǎn)需要而發(fā)源最早的學(xué)科之一，又總是走在不斷發(fā)展的科學(xué)技術(shù)前沿。偉大的物理學(xué)家愛因斯坦說，探索和理解神秘而和諧的自然界是他永恒的愿望。在數(shù)學(xué)、物理、 化學(xué)、天文、地學(xué)、生物六大基礎(chǔ)學(xué)科中，天文學(xué)不僅是先進(jìn)的自然科學(xué)技術(shù)交匯，而且還跟社會科學(xué)文化藝術(shù)相融合。所以本課程的開設(shè)旨在我?！叭宋暮：?，生命情懷”的指導(dǎo)思想下擴(kuò)展和完善“科教興國”人才的知識結(jié)構(gòu)，而且有益于培養(yǎng)正確的宇宙觀、認(rèn)識論和方法論，提高素質(zhì)修養(yǎng)，從而“崇尚科學(xué)，破除迷 信”和“普及科學(xué)知識、傳播科學(xué)思想、學(xué)習(xí)科學(xué)方法、培養(yǎng)科學(xué)精神”，迎接未來挑戰(zhàn)

2、。課程目標(biāo)1、了解宇宙概念的含義，科學(xué)的宇宙觀和時(shí)空觀。天文學(xué)的研究內(nèi)容，跟其它學(xué)科的差別和聯(lián)系。學(xué)習(xí)天文科學(xué)知識，破除迷信和占星術(shù)。獲悉人類認(rèn)識宇宙的幾次大飛躍和各類天體概念的形成。認(rèn)識幾種重要的“量天尺”：原子時(shí)、回歸年、天文單位、光年、太陽質(zhì)量、太陽光度。2、掌握光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)。3、了解射電望遠(yuǎn)镋的結(jié)構(gòu)和性能，紅外、紫外、X射線、7射線波段的望遠(yuǎn)鏡、太空望遠(yuǎn)鏡。了解行星探測器。了解天體光度學(xué)概念（輻射流、輻射強(qiáng)度、光度等）和星等 系統(tǒng)以及光譜測量。4、培養(yǎng)正確的宇宙觀、認(rèn)識論和方法論，提高素質(zhì)修養(yǎng)，普及科學(xué)知識、傳播科學(xué)思想、學(xué)習(xí)科學(xué)方法、培養(yǎng)科學(xué)精神。課程目錄次序課程內(nèi)容標(biāo)

3、題內(nèi)容簡介1什么是天文學(xué)通過對天文學(xué)基本概念的學(xué)習(xí)以及了解人類對宇宙認(rèn)識的幾次飛躍的了解，是學(xué)生對天文學(xué)形成宏觀上的感知。2宇宙起源上通過學(xué)習(xí)宇宙的演化，星系、星系團(tuán)的演化，了解初期宇宙的形成。3宇宙起源下恒星的形成和演化，太陽系的形成和演化，宇宙的未來。4光學(xué)望遠(yuǎn)鏡了解光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的基本結(jié)構(gòu)，重要參數(shù)，使用方法。5光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的類型對比不同類型的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，知道它們是按照物鏡的不同來區(qū)分的，知道它們的基本結(jié)構(gòu)上的不同，以及適用于什么觀測環(huán)境。6射電望遠(yuǎn)鏡了解射電望遠(yuǎn)鏡的工作原理，基本指標(biāo)，重要功能及未來發(fā)展。第一講 什么是天文學(xué)什么是天文學(xué)1、天文學(xué)是人類認(rèn)識宇宙的一門自然科學(xué)，觀測研究各種天體

4、和天體系統(tǒng)， 研究它們的位置、分布、運(yùn)動、結(jié)構(gòu)、物理狀況、化學(xué)組成及起源演化規(guī)律。2、人們常說到宇宙，宇宙的含義是什么？宇宙就是客觀存在的物質(zhì)世界，而物質(zhì)是不斷運(yùn)動和 變化發(fā)展的，空間和時(shí)間就是物質(zhì)的表現(xiàn)形式?，F(xiàn)代物理學(xué)和天文學(xué)的觀 測和理論都確切地表明，空間和時(shí)間不僅跟物質(zhì)不可分割，而且空間和時(shí)間 是密切聯(lián)系在一起的時(shí)空，這才是辯證唯物的科學(xué)宇宙觀和時(shí)空觀。分子、 原子、基本粒子可稱作“小宇宙”，而天體、天體系統(tǒng)可稱作“大宇宙”。宇宙 學(xué)研究全體物質(zhì)時(shí)空世界。3、什么是天體？什么是天體？天體是宇宙各種物質(zhì)客體的總稱。天文學(xué)觀測研究的主要 對象是地球之外的天體。從其它天體(如月球)上看，地球也

5、是天體。不同于 地球科學(xué)各學(xué)科(地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)、氣象學(xué)等)，天文學(xué)是把地球作為一顆代表 性行星和天文觀測基地，用天文方法來研究地球的有關(guān)問題。人類認(rèn)識宇宙的幾次大飛躍天文學(xué)在人類文明的發(fā)展中起著重要的作用。人類對宇宙的認(rèn)識是不 斷發(fā)展的，天文學(xué)發(fā)展史是人類文明的寶地。天文學(xué)史中有很多生動有趣 的事跡，尤其是人類認(rèn)識宇宙的幾次大飛躍影響深遠(yuǎn)。第一次飛躍是認(rèn)識到地球是球形的，日月星辰遠(yuǎn)近不同，它們的運(yùn)動有 客觀規(guī)律可尋，從天象觀測來編制歷法和星表。第二次大飛躍是1543年哥白尼在名著天體運(yùn)行論中提出宇宙日心體系（即日心說），形成太陽系概念。第三次大飛躍是萬有引力定律和天體力學(xué)的建立。第四次大飛躍是

6、認(rèn)識到太陽系有其產(chǎn)生到衰亡的演化史。第五次大飛躍是建立銀河系和星系概念。第六次大飛躍是天體物理學(xué)興起。第七次大飛躍是時(shí)空觀的革命。近半個多世紀(jì)以來，天文學(xué)進(jìn)人迅猛發(fā)展的新時(shí)代。在觀測方面，不僅 有很多地面現(xiàn)代光學(xué)觀測儀器和技術(shù)方法，而且有無線電（射電）技術(shù)和空 間探測技術(shù)來觀測天體。天文觀測從可見光波段擴(kuò)展到紅外、紫外、射電、X和y射線的全波段以及粒子、物理場(引力場、電磁場等)探測和登上一些 太陽系天體實(shí)地考察。在理論研究方面，不僅有現(xiàn)代數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)以及 電子計(jì)算機(jī)等基礎(chǔ)和工具，而且發(fā)展了一系列現(xiàn)代天文分支學(xué)科以及有關(guān)的交叉、邊緣新學(xué)科。新發(fā)現(xiàn)接踵而來，出現(xiàn)大量新課題，面臨新的飛躍，乃至

7、孕育自然科學(xué)新的革命。宇宙概況人類對宇宙的認(rèn)識總是不斷發(fā)展的。從古至今，經(jīng)過世世代代的觀測 研究，得到豐富的大文科學(xué)知識。那么，現(xiàn)在人類對宇宙的認(rèn)識達(dá)到怎樣的 程度呢？讓我們初步瀏覽一下浩瀚宇宙的大致情景吧。1、地球人類生活在地球上，好比“不識廬山真面目，只緣身在此山中”，卻不能一覽地球的全貌。幸運(yùn)的是宇航員，他們在太空飛船上看到最美麗的天體 就是地球(彩圖），白云繚繞，遼闊的藍(lán)色海洋，高低的起伏大陸，綠色的森林植被，一目了然。地球的平均半徑為6 371公里，質(zhì)量為5. 973 7X 1024千克，平均密度為 5. 514 8克/厘米3。地球繞太陽公轉(zhuǎn)一圈需365. 242 2天，稱為回歸年。

8、地 球軌道平面稱為黃道面，垂直于地球自轉(zhuǎn)軸的平面稱為赤道面，這兩個面的 交角稱為黃赤交角，現(xiàn)在值為23263l. 411 9”。實(shí)際上，地球的公轉(zhuǎn)軌道和 自轉(zhuǎn)都有較小而又很復(fù)雜的變化。地球形成至今(地球的年齡）約46億年，已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的演化，幾乎完全沒有留下40億年以前的遺跡。太陽系太陽系是由太陽、九大行星和它們的100多顆衛(wèi)星、眾多的小行星和彗星以及大量的流星體和行星際物質(zhì)組成的天體系統(tǒng)。太陽的質(zhì)量占太陽系 總質(zhì)M的99%以上，在它的引力作用下，其它成員都繞太陽公轉(zhuǎn)。按行星離太陽的平均距離從近到遠(yuǎn)，九大行星依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。在九大行星中，最大

9、的是木星，其次是土星，冥王星最?。ú蕡D）。除了水星和金星外，其余七大行星都有衛(wèi)星，衛(wèi)星在繞行星轉(zhuǎn)動的同時(shí) 又隨行星繞太陽公轉(zhuǎn)。地球有1顆天然衛(wèi)星月球，火星有2顆衛(wèi)星，木星有60多顆衛(wèi)星，土星有30多顆衛(wèi)星，天王星有22顆衛(wèi)星，海王星有12 顆衛(wèi)星，冥王星有1顆衛(wèi)星。在衛(wèi)星中，最大的是木衛(wèi)三，其次是土衛(wèi)六，很奇特的是木衛(wèi)一現(xiàn)在還常有活火山噴發(fā)。土星的美麗光環(huán)已發(fā)現(xiàn)近400年了，近20年來又發(fā)現(xiàn)木星、天王星和海王星也有暗的環(huán)系，行星環(huán)系由小塊 體和塵粒組成，各自像衛(wèi)星一樣繞行星轉(zhuǎn)動。小行星是繞太陽公轉(zhuǎn)的固態(tài)小天體，其中最大的是1號谷神星（直徑為913公里），而很小的只有幾百米，越小的小行星數(shù)目越多

10、。已發(fā)現(xiàn)的小行星大多分布在火星和木星軌道之間的小行星帶。有趣的是，發(fā)現(xiàn)幾顆小行星也有伴星或衛(wèi)星。彗星的本體是冰和塵凍結(jié)的“臟雪球”彗核，大小一般為幾百米到幾公里。很多彗星沿著扁長橢圓軌道繞太陽公轉(zhuǎn)，當(dāng)運(yùn)行到離太陽較近時(shí)，彗核表層冰蒸發(fā)且?guī)С鰤m而形成彗星大氣彗發(fā)，大小甚至達(dá)千萬公里，受太陽輻射作用而發(fā)出熒光輻射，顯得又大又亮。太陽輻射的斥力作用使彗發(fā)物質(zhì)遠(yuǎn)離而形成長長的彗尾，長度乃至可達(dá)1天文單位以上。在太陽系的外圍103到105天文單位處有球殼狀的彗星庫奧爾特彗星云，儲存上千億顆彗星，有的被走近的恒星引力攝動 而改變軌道后進(jìn)人太陽系內(nèi)區(qū)，才被我們看見。在冥王星軌道之外，離太陽30到1000天文

11、單位有盤狀的柯伊伯彗星帶，有幾億到百億顆彗星。比彗星及小行星更小的統(tǒng)稱流星體，很微小的流星體又稱為行星際塵或宇宙塵。若流星體繞太陽運(yùn)行中接近地球，就會高速闖入地球大氣，燒蝕發(fā)光，呈現(xiàn)為明亮光跡劃過長空的流星現(xiàn)象。大些的流星體在大氣中沒有燒蝕盡，其殘骸隕落到地面而成為隕石。有的流星體在隕落過程中發(fā)生爆 裂而落下“隕石雨”。例如，1976年3月8日的吉林隕石雨。3、太陽和恒星從物理性質(zhì)上說，太陽是恒星一類的天體，它們中心區(qū)溫度高達(dá)百萬度以上，發(fā)生原子核聚變的熱核反應(yīng)而產(chǎn)生巨大的能量，發(fā)出很強(qiáng)的輻射。太陽是觀測研究得最多的典型恒星。我們看到的日輪表面是太陽的光球?qū)?，通常所說的太陽半徑（69. 55萬

12、公里，以R0表示)就是指光球?qū)佣缘?。光球?qū)雍穸燃s500公里，有效溫度為5 777 K(絕對溫度）絕對溫度的零點(diǎn)為攝氏溫度-273. 15 C，即，絕對溫度T（K)=攝氏溫度t+ 273. 15。光球?qū)油弦来问翘柎髿獾纳驅(qū)雍腿彰?，物質(zhì)圖0.8太陽日面單色像與日冕像組合稀疏透明，輻射比光球?qū)尤醯枚?，平時(shí)肉眼看不出來，僅在日全食時(shí)因月球 遮住光球才顯見，此外，在飛船上可以拍攝它們的紫外像(彩圖）。太陽總輻射功率稱為太陽光度，記為L0(l Le =3. 845X1026焦耳/秒，即384. 5億億億瓦）。地球僅接收到太陽輻射的22億分之一，相當(dāng)于每年5. 5億億億瓦的電力，是全世界每年總發(fā)電量

13、的幾十萬倍！從高溫日冕流出的帶電粒子流，稱為太陽風(fēng)。恒星都是太陽一類有很強(qiáng)能源的天體，只是它們離我們太遠(yuǎn)而看起來 才呈發(fā)光點(diǎn)狀。恒星的質(zhì)量一般為0. 04到120 Me之間；恒星大小差別很大，有半徑是太陽1 000多倍的，也有半徑僅10公里左右的；恒星表面溫度一般在2 000 K到40 000 K，不同表面溫度的恒星呈現(xiàn)不同的顏色，溫度低 的呈棕紅色，溫度高些的呈黃色，溫度很高的呈藍(lán)白色，它們的光譜特征也不同。恒星的光度范圍在幾十萬分之一到200萬Le；跟太陽系的多數(shù)天體都是在約46億年前同時(shí)期形成的情況不同，恒星中各種“年齡”的都有，恒 星有太陽這樣中年的，也有老年在衰亡的，年輕的，幼年的，

14、正在形成中的。恒星壽命是有限的恒星的質(zhì)量越大就演化得越快，壽命越短。太陽的壽命約100億年，現(xiàn)在約過去了一半。恒星實(shí)際上并不“永恒”。一方面，恒星不斷地在運(yùn)動著，只不過因?yàn)樗x我們太遠(yuǎn)(最近的“比鄰星”也有27萬天文單位或4. 22光年）而很難在短時(shí)間辨別。另一方面4亙星本身在演化，正常恒星的演化很慢，亮度變化很小，但恒星在其演化的某階段變化劇烈、亮度變化較大而稱為物理變星。 其中，有爆發(fā)前很暗（乃至未注意到）、而突然在幾天到幾十天增亮幾百到幾 十萬倍、有大量物質(zhì)拋出的新星;還有爆發(fā)規(guī)模更大、增亮千萬倍到上億倍的超新星。1967年以來，發(fā)現(xiàn)一些有射電、可見光、X和Y射線的規(guī)則周期脈沖的脈沖星，

15、它們實(shí)際上就是超新星爆發(fā)拋出大量物質(zhì)后留下高速自轉(zhuǎn) 且有強(qiáng)磁場的致密星核，因主要成分是中子而稱為中子星。我國記載公元 1054年爆發(fā)的超新星，其拋出物質(zhì)成為“蟹狀星云”，它中心有“脈沖星”“中子星”。恒星不僅有單顆的，而且大多是成雙或成團(tuán)的。成雙的恒星稱為雙星，三顆恒星組成的系統(tǒng)稱為三合星，幾顆恒星的系統(tǒng)統(tǒng)稱為聚星，十顆以上恒星的系統(tǒng)稱為星團(tuán)。按照星團(tuán)的外貌和星數(shù)，有球狀星團(tuán)和疏散星團(tuán)。例如，昴星團(tuán)是疏散星團(tuán)。星空有很多彌漫的云霧狀天體，稱為星云。有些星云是較近的，屬于銀河系的氣體或塵埃云銀河星云（簡稱星云）；有些是銀河系之外的“河外 星云”，實(shí)際是由眾多恒星以及星際氣體和塵埃物質(zhì)組成的天體系

16、統(tǒng)，稱為星系。我們太陽系所在的星系就是銀河系。銀河系恒星密集部分呈鐵餅狀，稱為銀盤(彩圖），其直徑約13萬光年，厚約2 000光年。銀盤的中央平面稱為銀道面。包圍銀盤的是近球形的銀暈，其直徑約30萬光年。銀河系可見物質(zhì)的總質(zhì)量約2萬億M0，其中約有3000億顆恒星，占總質(zhì)量的90%，而由星際氣體和塵埃物質(zhì)約占10%。此外，從其引力影響推斷銀河系外部還存在不可見物質(zhì)(或暗物質(zhì)），其質(zhì)量可達(dá)可見物質(zhì)的量級甚至達(dá)10倍，但現(xiàn)在還不清楚暗物質(zhì)究竟是什么。太陽位于銀道面附近，離銀河系中心（銀心）約3萬光年。太陽帶領(lǐng)其 行星系統(tǒng)繞銀心轉(zhuǎn)動，2億多年（也稱為銀河年）轉(zhuǎn)一圈。正是由于太陽系處于這樣位置而不能一

17、覽銀河系全貌，我們看到的是銀盤在夜空呈現(xiàn)較亮光帶銀河或天河，而眾多恒星散布在太空。星系的質(zhì)量一般在106到l013Me。普通星系可按形態(tài)特征分為橢圓星系、旋渦星系、棒旋星系、不規(guī)則星系四大類。銀河系是棒旋星系， 仙女座大星云是旋渦星系，大、小麥哲倫云都是不規(guī)則星系。特殊星系表現(xiàn)有活動的高能現(xiàn)象。星系也有成團(tuán)的現(xiàn)象，有雙重星系、三重星系、多重星系、星系群、星系團(tuán)、超星系團(tuán)，例如大、小麥哲倫云是雙重星系，它們又跟銀河系組成三重星系，并跟玉夫星系等組成多重星系，再跟仙女座星系等組成本星系群。星系團(tuán)和超星系團(tuán)則是更大的星系集團(tuán)?，F(xiàn)在觀測到的空間范圍稱為總星系（或觀測的宇宙，或我們的宇 宙），其年齡估計(jì)

18、不到150億年。第二講 宇宙起源上宇宙是有限的還是無限的？有沒有開端和終了？天體和整個宇宙 如何演化的？自古以來，人們就關(guān)注和探索這些問題。歷史上的某些猜想演繹成為神話故事，如我國的“盤古開天辟地”故事：“天地混濁如雞子，盤古生其中，一萬八千歲，天地開辟，陽清為天，陰濁為地?！庇袀€主教根據(jù)圣經(jīng)“推算”出上帝在公元前4004年用六天創(chuàng)造了天 地萬物?？茖W(xué)測定的地球年齡約46億年，僅這一事實(shí)就否定了上帝創(chuàng)世說。現(xiàn)代天文觀測和理論研究越來越多地揭示天體和宇宙的奧秘，得到天體及宇宙的起源和演化史的初步輪廓，更新了一些陳腐的錯誤觀念，但還有不少爭議問題有待深人研究。下面將按宇宙和天體的形成演化次序概

19、述主要研究成果。根據(jù)星系譜線紅移-宇宙膨脹、宇宙背景輻射等觀測證據(jù)，利用廣義相對論等物理理論，建立了“大爆炸（Big Bang)宇宙論”的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，成功地闡述了宇宙演化的主要特征。一般人覺得宇宙學(xué)很玄秘，難以理會。1976年，溫伯格撰寫了科普書最初三分鐘，生動而清楚地介紹宇宙早期演化知識，引起了廣泛影響。高溫高密狀態(tài)的早期宇宙，僅僅用了三分鐘就極其高效率地完成了宇宙物質(zhì)的奠基工作。但是，在宇宙極早期存在疑難，后由“暴漲模型”修正。雖然它們未必是唯一的終極理論，但解釋了很多觀測，作出新預(yù)言，發(fā)展為流行的理論。宇宙早期經(jīng)過幾個時(shí)代，由一系列物理過程演化過來一、大爆炸和普朗克時(shí)代把時(shí)空作為連續(xù)的

20、，由宇宙膨脹、背景輻射等觀測結(jié)果，用廣義相對論逆推，大爆炸約發(fā)生在100多億年前。以大爆炸時(shí)刻作為計(jì)時(shí)的起點(diǎn)，所有的物質(zhì)堆積在一起，密度、溫度及能量趨于無限大，數(shù)學(xué)上稱為“奇點(diǎn)”。但這不符合量子物理學(xué)。量子物理學(xué)有著名的不確定關(guān)系：動量和位置不能同時(shí)測準(zhǔn)，能量和時(shí)間也如此，因而有最小的普朗克時(shí)間5.390 6X144秒和普朗克長度1.616X133厘米。現(xiàn)有的物理定律不能確切給出宇宙從時(shí)間0到1x1044秒的量子混沌(夸克湯)情況。可以考慮的圖像是，或許并非一個而是多個大爆炸從先前的物質(zhì)時(shí)空大量產(chǎn)生。每個大爆炸宇宙各自很快發(fā)展，變?yōu)閺钠洚a(chǎn)生處退耦。我們的宇宙跟其它宇宙沒有物理聯(lián)系地走自己的演化

21、路。大爆炸后，頭KT44秒稱為普朗克時(shí)代，應(yīng)當(dāng)用量子引力理論來處理宇宙學(xué)問題，但這種理論仍在探討中。自然界有四種基本相互作用力：強(qiáng)核力、弱核力、電磁力和引力。最熟悉的是電磁力和引力，它們在無限范圍內(nèi)起作用，電磁力的強(qiáng)度是引力強(qiáng)度的1038倍，但電磁力僅在帶電粒子之間起作用，而引力在一切有質(zhì)量粒子之間起作用。弱核力和強(qiáng)核力僅在原子內(nèi)短程起作用。弱核力負(fù)責(zé)大質(zhì)量核子的放射衰變，中子衰變?yōu)橘|(zhì)子、電子和反中微子，以及中微子和其它粒子相互作用。強(qiáng)核力把質(zhì)子和中子束縛在原子核內(nèi)，其強(qiáng)度最大。宇宙開始時(shí)溫度極其高，密度和能量極其大，所有四種相互作用力是等同的。20世紀(jì)70年代提出“弱電理論”統(tǒng)一電磁力和弱核

22、力，用在宇宙溫度1015 K以上（相當(dāng)于大爆炸后1CT12秒）。理論學(xué)者嘗試建立“大統(tǒng)一理論(GUTs)”統(tǒng)一弱核力、強(qiáng)核力和電磁力，用茌宇宙溫度1028 K(相當(dāng)于大爆炸后的1(T35秒）時(shí)?，F(xiàn)在尋求統(tǒng)一所有四種力的理論，涉及把粒子不是處理為點(diǎn)而是“超弦（superstrings)”。超弦是普朗克長度 (10-33厘米）的，已知粒子的性質(zhì)由超弦的振動產(chǎn)生。超弦可以是開的，也可以是封閉為一環(huán);它們可以相互作用、合并、連接及分裂。由于它們振動而大為復(fù)雜。然而，存在扭繞而保持超弦相互作用對稱的數(shù)學(xué)僅用在10維時(shí)空。在普朗克長度大小的區(qū)域仍“摻雜”額外維數(shù)，終究會破壞對稱，具有常見的4維時(shí)空，隱蔽丟

23、失的6維。超弦處于理論物理學(xué)的思索邊緣。暴漲宇宙模型大爆炸宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型雖然有觀測事實(shí)和理論基礎(chǔ)，但仍存在平直性和均勻性等疑難。暴漲理論預(yù)言時(shí)空幾何是平直的，密度參數(shù)a = 1的（平直）開宇宙。這意味著背景輻射在宇宙各方向保持平行，有足夠的物質(zhì)和能量保持宇宙是平直的。這個結(jié)果和1998年報(bào)告的兩個超新星觀測結(jié)果都強(qiáng)力支持令人震驚的觀念某種尚不具體了解的“暗能量”造成宇宙膨脹率加速。使所需質(zhì)量-能量的5%是重子物質(zhì)（組成原子的材料），約25%暗物質(zhì)，它們僅構(gòu)成平直宇宙的質(zhì)量和能量的30%；另外70%不是引力物質(zhì)，而是“暗能量”的、有斥力（跟宇宙常數(shù)有關(guān))的東西。宇宙就永遠(yuǎn)膨脹。在早期宇宙膨脹中，

24、溫度降低，密度變小，宇宙物質(zhì)成分（粒子和反粒子)隨之改變。溫度起著關(guān)鍵的控制作用，經(jīng)歷匹配特定溫度的幾個時(shí)代。大爆炸后約1(T35秒，溫度128 K，宇宙經(jīng)歷“大統(tǒng)一時(shí)代”，產(chǎn)生出重子(包括質(zhì)子、中子及更大質(zhì)量的基本粒子)多于反重子(反質(zhì)子、反中子等)的不對稱性，結(jié)果導(dǎo)致今天宇宙中的正物質(zhì)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)。否則,在宇宙膨脹冷卻過程中，重子和反重子就會全部湮滅，不會留下現(xiàn)在的(重子)物質(zhì)世界。到KT32秒，溫度降到1013 K，宇宙開始強(qiáng)子（參與強(qiáng)相互作用的粒子，包括重子、介子以及它們的反粒子）占優(yōu)勢的“強(qiáng)子時(shí)代”。到1(T6秒，溫度降到1011 K，宇宙開始輕子（不能參與強(qiáng)相互作用的粒了包括電子以

25、子、中微子以及它們的反粒子）占優(yōu)勢的“輕子時(shí)代”。到約1秒時(shí)，中微子不再參與粒子碰撞的熱平衡“脫耦”而自由運(yùn)動，到約5秒，電子和正電子開始大量湮滅而生成光子，開始輻射為主時(shí)期。大爆炸后5秒，溫度降到109 K，進(jìn)人“核合成時(shí)代”。在此前，宇宙的主要成分是輻射(光子）和粒子（質(zhì)子、中子、電子、中微子等)濃密熱湯，還不能結(jié)合成核，光子數(shù)目比粒子多得多(約10億)，大多數(shù)相互作用由強(qiáng) 烈輻射驅(qū)動。粒子物理學(xué)可推算得出：溫度降到109 K以下，質(zhì)子和中子可以相互結(jié)合而先后形成氘(D)、氦（He)、鋰（Li)、鈹(Be)等少數(shù)的宇宙核合成輕核素（即原子核）。到約3分鐘，溫度下降到108 K時(shí)，宇宙變得彌

26、漫而不能合成較重核素。結(jié)果約25%的宇宙質(zhì)量成為氦核。這與觀測到的宇宙氦豐度相符合，是大爆炸宇宙論的又一有力支持。到約100萬年，溫度降到3000 K，進(jìn)入電子與核素結(jié)合為中性原子的“復(fù)合時(shí)代”。這些原子成為造星物質(zhì)。現(xiàn)在普遍認(rèn)為，氦和其它幾種輕核素是在宇宙早期3分鐘內(nèi)合成的，其余眾多核素則是后來由恒星形成的。二、輻射為主和物質(zhì)為主的兩大時(shí)期宇宙在頭1萬年左右是“輻射為主的時(shí)期”（圖11. 1下）。7射線 (光子）連續(xù)地跟物質(zhì)相互作用，輻射和物質(zhì)耦合在一起。它們隨宇宙膨脹而一起冷卻，光子因空間的宇宙學(xué)紅移而能量減小，輻射移向長波。由于溫度還很高，電子的能量很大，不能跟核素結(jié)合為中性原子，宇宙總

27、體是大致等量帶正、負(fù)電荷粒子的等離子體。這期間，很多重要事件確定了現(xiàn)在的宇宙性質(zhì)。例如，復(fù)雜的粒子相互作用建立正粒子跟反粒子的微小不平衡，反粒子和幾乎所有正粒子湮滅，留下少量多余的正粒子來“建造”我們知道的宇宙。到1萬年后，當(dāng)變稀的輻射能量密度降到小于（造星）物質(zhì)的能量 (或按質(zhì)一能關(guān)系的相應(yīng)質(zhì)量）密度時(shí)，光子退耦，輻射為主的時(shí)期就結(jié)束了，而逐漸轉(zhuǎn)到中性原子氣體（造星）“物質(zhì)為主的時(shí)期”。到100萬年后，宇宙變?yōu)橥该鳎z留下來的宇宙背景輻射隨宇宙膨脹而紅移為至今2.7 K背景輻射，當(dāng)你把電視轉(zhuǎn)到無信號的頻道，屏幕上約1%的噪聲斑就是來自宇宙背景輻射。各種天體都是在物質(zhì)為主時(shí)期之后陸續(xù)形成的。我

28、們生活在宇宙的天體生成演化活動豐富的“恒星時(shí)期”，而跟宇宙早期和晚期都大不一樣。三、星系和星系團(tuán)的形成宇宙的原子氣體(造星)物質(zhì)怎樣形成星系和星系團(tuán)呢？這一直是難以解決的問題，目前尚沒有完善的星系形成理論。現(xiàn)有證據(jù)說明，星系是幾十億年前從原始?xì)怏w云（“原星系”）引力塌縮形成的。理論推測，若在塌縮中恒星先形成，因?yàn)楹阈侵g距離遠(yuǎn)而無碰撞，星系會保持近球形，成為橢圓星系；若在塌縮中恒星形成進(jìn)行緩慢，氣體輻射而損失掉能M，塌縮為盤，成為旋渦星系。為什么恒星形成有快的有慢的？恒星的初始形成率取決于物質(zhì)的平均密度。在高密度區(qū)，恒星形成快而早，星系形狀仍“凍結(jié)”在球形，這跟橢圓星系在宇宙的高密度區(qū)（富星系

29、團(tuán)）的事實(shí)符合。在低密度區(qū)，原星系在恒星廣泛形成之前塌縮為盤，這跟旋渦星系在宇宙的低密度區(qū)（如本星系群）的事實(shí)符合。原始?xì)怏w云如何產(chǎn)生的？前面已述，暴漲產(chǎn)生的密度漲落在空間膨脹中保存下去，后來就成為星系和星系團(tuán)的“種子”。光子退耦是關(guān)鍵，進(jìn)人物質(zhì)為主時(shí)期，引力開始起主要作用，使氫氦聚集成云團(tuán)，才可能開始形成星系和星系團(tuán)，包括恒星等天體。宇宙膨脹使物質(zhì)密度變稀疏，稀疏物質(zhì)怎樣會聚集成物質(zhì)密集的星系等天體呢？吸引和排斥是宇宙的基本矛盾。宇宙中的主要吸引因素是物質(zhì)之間的萬有引力，而主要排斥因素是物質(zhì)熱運(yùn)動產(chǎn)生的壓力（熱壓力）。引力使物質(zhì)云團(tuán)收縮和聚集，而熱壓力使物質(zhì)云團(tuán)膨脹和散開。四、星系的演化現(xiàn)在

30、觀測到的各類星系都是久已形成和演化之后的“快照”，因此探索星系的形成和演化是很困難的。然而，深空探測可以得到星系演化的重要線索。星系越遠(yuǎn)，它的光到達(dá)我們的時(shí)間越長；因而，觀測更遠(yuǎn)的星系，實(shí)際上就看到更久的過去狀況。綜合研究從近到遠(yuǎn)的星系資料，我們就可找出星系演化越來越早階段的概況?！靶亲濉鼻闆r為星系演化研究提供重要依據(jù)。如第十章所述，星族I恒星是年輕的，富含重元素。星族n恒星是年老的，貧含重元素。設(shè)想幾十億年前形成的一群恒星，初始的總光度以年輕的熱星為主，隨著演化，隨著星系年齡增大，大質(zhì)量恒星演化快而離開主序，星系的顏色變得暗紅，可以建立群星的理論星系演化模型來擬合觀測，而得出星系年齡。橢圓星

31、系幾乎含純星族很少有新近形成恒星跡象，老的恒星由星風(fēng)流出物質(zhì)來補(bǔ)給星際介質(zhì)。旋渦星系含兩星族混合，星族n恒星在核球和星系暈，核球的大部分氣體已用于形成第一代恒星，大部分氣體和星族t恒星形成區(qū)集中在旋臂，星系盤的恒星有寬的年齡范圍。不規(guī)則星系幾乎含純星族I。研究表明，星系的形態(tài)和演化受大尺度環(huán)境的強(qiáng)烈影響，星系可以相互作用和合并，可以吸積和拋出氣體，可以碰撞而觸發(fā)一次次恒星形成。從各類星系的年齡研究得出，橢圓星系的幾乎全部的恒星都在一次僅約1兆年的猛烈活動暴中形成;旋渦星系在過去150億年持續(xù)地形成恒星，恒星形成率逐漸緩慢減少。兩類星系的這種差別可能是星系團(tuán)中的星系碰撞頻繁的結(jié)果。在規(guī)則的富星系

32、團(tuán)中，橢圓星系特別多，其球狀就是大量碰撞導(dǎo)致星系速度各向隨機(jī)的證據(jù)。幾十億年前，這些碰撞模擬了在富氣體幼年星系中形成恒星的初始暴，然后星系成團(tuán)。然而，當(dāng)繼續(xù)碰撞掃走殘余的星系際氣體時(shí)，這種大M形成恒星的時(shí)代就終止了，留下沒有氣體和塵埃的橢圓星系。在不規(guī)則星系團(tuán)中，旋渦星系為主，它們在過去的碰撞少，年輕星系內(nèi)的氣體有足夠時(shí)間沉降成盤，恒星從容地繼續(xù)形成至今。當(dāng)然，盤中也有很多老年恒星，但盤的光輝以旋臂上的年輕、大質(zhì)量熱星為主。星系演化的實(shí)際情況復(fù)雜得多。如前章已談過的，在富星系團(tuán)中星系的間距跟星系大小相差不很大，星系運(yùn)動中易接近而發(fā)生相互作用、相遇和碰撞。若兩個星系的隨機(jī)運(yùn)動使得它們相互穿過，由

33、于恒星之間的距離遠(yuǎn)比恒星直徑大而不會發(fā)生恒星碰撞，但星系內(nèi)的多塵氣體更像連續(xù)介質(zhì)，在星系以每秒幾百公里碰撞中發(fā)生很大的氣體相互作用，氣體激發(fā)甚至電離，最豐富的氫常成為很強(qiáng)的射電輻射源，熱的塵埃成為紅外源。由于引力是長程的，星系的近相遇就產(chǎn)生起潮相互作用，從星系兩側(cè)拉出恒星和氣體，改變星系形狀。兩個大致同樣大小的星系合并，所含氣體云發(fā)生碰撞和壓縮，變?yōu)楦芎透鼰?，可促使恒星形成，恒星又加熱周圍塵埃而增強(qiáng)紅外輻射。兩個不同大小的星系合并，大的吞進(jìn)小的，稱為“星系吞食”。當(dāng)小星系接近大星系，小星系的外部恒星被吸入大星系；當(dāng)小星系的核經(jīng)過大星系的外區(qū)時(shí)就損失能量而減速，大星系外區(qū)的恒星獲得能量而加速，

34、此過程稱為“動力摩擦”，結(jié)果是小星系的核螺旋式進(jìn)入大星系中心。在富星系團(tuán)中心，星系吞食有驚人的效應(yīng)，當(dāng)星系沿高速軌道經(jīng)過星系團(tuán)的密核時(shí)，連續(xù)地清除自由氣體和塵埃，大星系吞食很多小星系而成為巨橢圓星系。一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)研究得出，全部星系的14%有以前的碰撞或近相遇所致形狀變化。五、銀河系的形成銀河系物質(zhì)的化學(xué)成分和動力學(xué)為研究銀河系的演化提供了線索。已提出多個銀河系演化模型，但還難以確定哪個更正確。這里概述傳統(tǒng)假說和近年的新觀點(diǎn)。傳統(tǒng)假說認(rèn)為，約130多億年前，一個渦旋氫氦氣體團(tuán)在自身引力作用下開始收縮。隨著收縮，密度增大，直到云團(tuán)破碎為個別小云，因?yàn)樵瓉須怏w是湍動的，小云有隨機(jī)速度。當(dāng)氣體密度增到足夠

35、大時(shí)，一些小云開始形成貧金屬的星團(tuán)。因?yàn)殂y河系這時(shí)近于球形，這些首批星團(tuán)成球狀分布。由于氣體湍動，這些星團(tuán)有隨機(jī)傾角的橢圓軌道。成員恒星不多的星團(tuán)逐漸瓦解而成為在球云中自由游蕩的恒星，而恒星密集在小體積內(nèi)的球狀星團(tuán)則幸存下來(雖然也偶然逃走恒星）。它們是暈族恒星。由于有自轉(zhuǎn)，銀河系氣體很快坍縮而扁化為轉(zhuǎn)動盤，但已形成的恒星仍留于球狀分布。在扁盤中形成的下代中間族恒星就僅在盤面附近。再往后，氣體分布變得如此之扁平，以致最新形成的年輕族恒星約束在銀盤內(nèi)。這期間，大質(zhì)量恒星演化快，經(jīng)超新星爆發(fā)而拋出其內(nèi)部生成的重元素到恒星際，使得有它們參予的下代恒星富含金屬。除了分布的改變，恒星軌道形狀也隨銀河系扁

36、化而變。銀河系年輕時(shí)，湍動氣體隨機(jī)運(yùn)動，所形成的恒星有隨機(jī)取向和扁橢圓的軌道。隨著坍縮為盤，消除了隨機(jī)的氣體運(yùn)動，新形成的銀盤恒星趨于近圓的軌道。同時(shí)，下代恒星的金屬豐度也增加。傳統(tǒng)假說可以說明銀河系的很多性質(zhì)，但跟近年的觀測新資料矛盾。例如，銀暈中有的恒星比球狀星團(tuán)星更貧金屬，但不是無金屬；核球有比銀暈星更老的恒星；球狀星團(tuán)不都是同年齡的，較年輕星團(tuán)似乎在外暈。新觀點(diǎn)認(rèn)為，或許銀河系始于氣體云收縮形成核球；由先一代大質(zhì)量恒星提供略含金屬的氣體云，而后積聚銀暈?；蛟S生長的銀河系俘獲了整個星系，若銀河系吸收了小而部分演化的星系，那么銀暈的某些球狀星團(tuán)可能是“搭便車者”。銀河系以及旋渦星系的旋臂是

37、怎樣形成的？密度波理論認(rèn)為，銀盤引力勢的旋渦圖案繞銀心作剛體轉(zhuǎn)動，即其上各點(diǎn)的角速度相等。繞銀心轉(zhuǎn)動的氣體云從后面趕上緩慢轉(zhuǎn)動的旋臂，猛沖旋臂處已存在的氣體，突然的沖壓可以觸發(fā)氣體云變密、坍縮而形成新的恒星。新形成的恒星和殘余氣體最終穿過旋臂，繞銀心轉(zhuǎn)動。雖然旋臂處的恒星、氣體、塵埃常有進(jìn)出變化，但我們看到的是緩慢繞銀心轉(zhuǎn)動的旋臂圖案。在旋臂處形成各種質(zhì)量的恒星，最亮的(光譜)O、B型星使旋臂亮于銀河系背景。大質(zhì)量恒星的壽命較短，未來得及走出旋臂就死亡了。質(zhì)量較小的恒星(包括太陽)壽命較長，可以周而復(fù)始地環(huán)繞銀心轉(zhuǎn)動多圈，多次穿過旋臂。然而，密度波在10億年左右衰減，密度波理論還難于解決復(fù)雜的

38、螺旋擾動如何開始和長期維持以及多個復(fù)雜旋臂的問題。一種可能是銀盤內(nèi)超新星爆發(fā)之類的小擾動再產(chǎn)生密度波。另一種可能是引力擾動產(chǎn)生密度波，比如核球不是圓球而有棒，棒旋轉(zhuǎn)擾動銀盤而產(chǎn)生密度波。臨近星系的近相遇或碰撞也會產(chǎn)生螺旋。多個復(fù)雜旋臂問題可能在于維持恒星形成的過程。旋臂還有另種解釋。假如銀河系原先沒有旋臂，且銀盤中各處分散的氣體云內(nèi)自維持形成恒星(如超新星爆發(fā)觸發(fā)星際云繼續(xù)形成恒星）。銀河系是較差自轉(zhuǎn)的，氣體云的近銀心部分比遠(yuǎn)部分轉(zhuǎn)動快,于是“拉”成一段螺旋，同時(shí)云內(nèi)延續(xù)地形成恒星，很多這樣的氣體云-恒星螺旋段可構(gòu)成旋臂，有分叉和分支。自維持恒星形成的計(jì)算機(jī)模型確有旋臂特征，但跟某些星系不那么

39、符合。似乎某些星系以密度波為主，發(fā)展為美麗的雙旋臂星系；另一些星系以自維持恒星形成為主，缺乏美麗圖形。我們的銀河系似乎介于兩者之間，有密度波產(chǎn)生的美麗旋臂，也有恒星自維持造成的分叉和刺，用兩者結(jié)合的計(jì)算機(jī)模型可能更符合觀測的旋臂結(jié)構(gòu)。銀河系的形成演化問題因理論不完善而受阻，現(xiàn)在仍沒有定論，需繼續(xù)得到觀測資料和理論研究。第三講 宇宙起源下如同在短時(shí)間內(nèi)觀察眾多各種年齡人襁褓中嬰兒、兒童、少年、青年、中年、老年，就可以總結(jié)出一般人的生命史一樣，雖然無法觀測到一顆恒 星從“胚胎”到死亡的整個演化史，但可觀測到各演化階段的大量恒星，綜合觀測資料并結(jié)合理論研究，現(xiàn)在已相當(dāng)清楚地了解各類恒星的形成演化史。

40、在恒星的形成和演化史中，吸引與排斥的基本矛盾起作用。例如，當(dāng)引力大于熱壓力時(shí)，星際云的局部小云團(tuán)收縮形成恒星；當(dāng)引力與熱壓力平衡時(shí)， 中年恒星就維持穩(wěn)定；當(dāng)引力小于熱壓力時(shí)，老年恒星就發(fā)生爆發(fā)。一、恒星的形成觀測研究得出，自從130多億年前銀河系成型以來，恒星延續(xù)地產(chǎn)生著;從年輕恒星常在星際云內(nèi)或附近的事實(shí)，推斷恒星在星際云中形成。冷的星際云主要物質(zhì)是氫分子，也含其它分子和塵埃，又稱分子云，而可見光看到的星云只是分子云的一部分。巨分子云呈現(xiàn)許多纖維、成群的團(tuán)塊以及稠密核的結(jié)構(gòu)。稠密核的大小為a 1至幾光年量級，相應(yīng)的質(zhì)量從在星際云收縮變 密過程中，可能變得不均勻，某些局部區(qū)受到擾動(例如，經(jīng)過

41、旋臂的密度激波區(qū)，臨近超新星爆發(fā)產(chǎn)生的激波作用，星際云碰撞）而觸發(fā)變密，相應(yīng)的金斯質(zhì)量鴻為恒星質(zhì)量的量級，這樣的局部區(qū)就可以成為獨(dú)立小云而自吸引收縮。于是，星際云中就瓦解或者說碎裂為一些局部小云，小云收縮而演化為“原恒星”(年輕的恒星體），進(jìn)而演化為恒星。這樣,在星際云中可以成群地形成恒星。大質(zhì)量恒星演化快，成為超新星爆發(fā)而觸發(fā)附近星際云物質(zhì)變密，瓦解為小云而形成恒星，這就是一種自維持形成恒星。獵戶座是觀測研究較清楚的恒星形成區(qū)，那里有疏散星團(tuán)、星協(xié)巨大 的HII (電離氫）區(qū)、發(fā)射星云、暗星云、分子云、HH天體、正形成中的紅外 星團(tuán)，組成了一個年輕天體和彌漫物質(zhì)的大復(fù)合體?？梢姽饪吹降墨C戶星

42、云是更大星際云的一部分，其中心區(qū)有四邊形聚星，它們是形成不到百萬年的年輕熱星，發(fā)射的強(qiáng)輻射激發(fā)周圍Hn區(qū)發(fā)光而呈現(xiàn)為發(fā)射星云。最強(qiáng)的紅外和射電輻射區(qū)域?qū)嶋H上位于可見的獵戶星云后面的更密的兩個分子云OMC1和OMC2。以發(fā)現(xiàn)者Kleinmann和Low命名的紅外源（KL天體)是直徑為2 000 AU的小云，紅外光度達(dá)7X104 L，它包含幾個致密源，其中有稠密的氣體塵埃團(tuán)塊，有隱藏其中的年輕恒星（如有雙極噴流的紅外致密源IRC2是很年輕的恒星乂以發(fā)現(xiàn)者Becklin和.Neugebauer命名的BN天體是角徑小于2(約300 AU)的紅外源，它的中心有一顆近10萬年形成的、隱藏濃密的氣體和塵埃云

43、“繭”的年輕熱星。由于可見光不能透過分子云的塵“繭”，因而看不到其內(nèi)的恒星形成區(qū)。但紅外輻射可以透射一些出來，而X射線則完全透射出來。1998年，甚大望遠(yuǎn)鏡(VLT)拍攝到船帆座一個恒星形成區(qū)RCW38(距離約5 000光年）的紅外像（范圍3. 6光年），顯出在氣-塵“幕”后面的 (“繭”內(nèi)）幼年(小于100萬年）恒星；2001年，錢德拉X射線天文臺攝到同區(qū)的較低能量(紅色）和較高能量（藍(lán)色）X射線源，以研究大質(zhì)量新生 恒星對周圍的影響。從熱的O型星出來的強(qiáng)勁星風(fēng)可以蒸發(fā)周圍的分子云，從而使周圍的恒星形成過程停止，也可能使周圍物質(zhì)變密而觸發(fā)恒星形成。二、恒星的演化恒星的演化探求恒星從誕生后到死

44、亡的全過程，研究它們形成后在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上隨時(shí)間的變化以及在赫羅圖上的演化程。主序階段恒星到達(dá)主序后，開始內(nèi)部熱核反應(yīng)的漫長演化史。恒星內(nèi)部基本處于平衡狀態(tài)，包括流體靜力平衡(各層向外的壓力被向里的引力-重力所平衡)和熱平衡(任一體元在每秒鐘獲得的能量等于它釋放的能量，每秒鐘整個恒星表面輻射損失的能量與在中央?yún)^(qū)熱核反應(yīng)產(chǎn)生的能量平衡）。因此，恒星演化的主序階段長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。在理論上，對給定的恒星質(zhì)量、化學(xué)成分等資料，可以計(jì)算不同時(shí)間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及恒星輻射的總光度和表面溫度等物理量，因而確定在赫羅圖上的位置。主序恒星都是氫燃燒提供長期能源。質(zhì)量大于1.1的恒星的中心區(qū)溫度達(dá)1.6X107以上，

45、以碳-氮-氧反應(yīng)鏈產(chǎn)能為主。質(zhì)量小于此值的恒星的中心區(qū)溫度低些，以質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)鏈產(chǎn)能為主。恒星中心區(qū)從氫燃燒點(diǎn)火到氫幾乎全部聚變成氦的時(shí)期叫“主序演化 階段”，因?yàn)榇穗A段恒星位于赫羅圖的主序上。恒星在此階段的時(shí)間由中心區(qū)含氫數(shù)量以及其燃燒消耗率決定，而兩者分別與恒星的質(zhì)量M和光度L有關(guān)，因而J&M/L(109年）。恒星的質(zhì)量越大,主序階段的時(shí)間越短，這是因?yàn)榇筚|(zhì)量恒星雖然有較多的氫燃料，但因光度大，氫燃燒消耗比質(zhì)量小的恒星快得多。隨著氫聚變?yōu)楹ぃ阈侵行膮^(qū)的核素總數(shù)目減少而總壓力也減少，重力-壓力不平衡導(dǎo)致中心區(qū)收縮致密和溫度升高，燃燒更快而釋放更多能量和光度增強(qiáng)，驅(qū)使外層膨脹和冷卻。因而在

46、赫羅圖上主序不是銳線而是主序帶。氫開始燃燒時(shí)，恒星處于帶的下界“零齡主序（ZAMS)”，而后在赫羅圖上向右上演化到帶的上界。主序演化階段是恒星一生中駐留時(shí)間最長的階段，大約占恒星壽命的 9%，這就是各種類型恒星中的主序星占大多數(shù)的原因。太陽的年齡約100億年，它在主序演化階段已度過約一半時(shí)間。后主序階段除了質(zhì)量最小的恒星，中心區(qū)氫燃燒生成的“灰”(氮)不跟外部混合，隨著氫消耗，氦在中心區(qū)積累，產(chǎn)能減少，外層的重力使氦中心區(qū)收縮，溫度高，鄰接中心區(qū)的氫層點(diǎn)燃，氫燃燒向外蔓延，恒星的外層膨脹，進(jìn)人后主階段。中等質(zhì)量的恒星演化為紅巨星，大質(zhì)量恒星演化為超巨星。當(dāng)氦中心區(qū)因繼續(xù)收縮而升溫到1.2X10

47、8 K，開始氦燃燒（氦聚變?yōu)樘?、氧）。某些恒星是逐漸開始氦燃燒的；但0. 43 M0恒星則是失控的爆 發(fā)性氦燃燒(稱為“氦閃”），短時(shí)間（幾分鐘)產(chǎn)生巨大能量而恒星光度增強(qiáng)，很快又調(diào)整到穩(wěn)定的氦燃燒。于是，氫燃燒層之內(nèi)又有氦燃燒而膨脹的中心區(qū),這使得支持外層的能量減少，外層收縮而表面略變熱，在赫羅圖上向左下移動。氦燃燒生成碳氧灰的中心區(qū)，再收縮變熱，點(diǎn)燃鄰接的氦層，其外是氫燃燒層。在在赫羅圖上打個圈又移近氦閃。大質(zhì)量恒星中心區(qū)依次還發(fā)生碳燃燒(碳聚變?yōu)殁c、氖、鎂、氧）、氖燃燒 (氖聚變?yōu)檠?、鎂）、氧燃燒(氧聚變?yōu)榱?、硅、磷），除了這些穩(wěn)態(tài)的核合成，恒星演化到一定情況(如超新星爆發(fā)）還發(fā)生爆炸式

48、核合成以及中子俘獲等核過程，于是，除了氫、氦及少數(shù)輕元素外，大多數(shù)元素的原子核都是在恒星內(nèi)部由熱核反應(yīng)形成的。隨著熱核反應(yīng)的進(jìn)行,恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變，熱核反應(yīng)區(qū)最外的是氫燃燒層、其下面是氦燃燒層。主序之后的熱核反應(yīng)越來越劇烈，大多恒星不穩(wěn)定，表現(xiàn)為各類變星。星團(tuán)的赫羅圖與恒星演化有證據(jù)表明，一個星團(tuán)的所有恒星都是在同一星際云中大致同時(shí)形成的，年齡和化學(xué)成分大致相同，而且它們都大致離地球同樣遠(yuǎn)，只是各恒星的質(zhì)量不同而演化程度不同，因此，星團(tuán)可提供不同質(zhì)量恒星的演化證據(jù)。可按恒星演化理論模型來繪制星團(tuán)演化的赫羅圖“電影”片段。在星團(tuán)早期，大質(zhì)量恒星因演化快而到達(dá)主序，中、小質(zhì)量恒星演化慢而仍處

49、于主序前。隨著時(shí)間推移，大質(zhì)量恒星離開主序，中、小質(zhì)量恒星先到達(dá)主序；再后，大質(zhì)量恒星死亡，中質(zhì)量恒星都離開主序，小質(zhì)量恒星仍在主序。恒星的晚期演化與歸宿隨著恒星內(nèi)部的熱核反應(yīng)的終止，恒星就走向死亡。不同質(zhì)量的主序恒星走向死亡的晚期演化和歸宿不同。主序下端是冷的小質(zhì)量“紅矮星”，它們是從中心到表面整體對流的，氣體經(jīng)?；旌希瑑?nèi)部氫燃燒耗盡而成為氦后，就終止熱核反應(yīng)，不會演化到 星，它們在自引力作用下收縮而升溫，直到坍縮到氣體“簡并”致密而抵抗壓縮，在赫羅圖上演化程向左成為“白矮星”。熱傳導(dǎo)在致密的白矮星內(nèi)很有效，傳導(dǎo)到表面的能量向空間輻射掉，逐漸變冷而演化為“黑矮星”。白矮星的質(zhì)量越大，它的重力

50、越大，因而半徑越小。白矮星質(zhì)量上限(錢德拉塞卡 限)為1.4 Me。中等質(zhì)量類太陽恒星可以點(diǎn)燃中心區(qū)氦和緊接的氫層，變?yōu)榧t巨星。當(dāng)中心區(qū)的氮耗盡而變?yōu)樘紩r(shí)，熱核反應(yīng)終止，發(fā)生收縮，釋放的引力勢能變?yōu)闊崮?，再加之其周圍的氫燃燒產(chǎn)能，使外部的富氫層拋出去，成為“行星狀星云”，而留下的中心星核坍縮，演化為白矮星。大質(zhì)量恒星經(jīng)氦燃燒合成碳氧星核，但未簡并，可以收縮升溫，進(jìn)而發(fā)生新的熱核合成反應(yīng)，合成氖和更多的氧，氖氧星核收縮升溫而 點(diǎn)燃氖燃燒，如此循環(huán)地收縮升溫和新的熱核合成，直到合成“鐵峰元素”（豐度大的鉻、錳、鐵、鈷、鎳），合成它們熱核反應(yīng)需要消耗能量而不是產(chǎn)生能量。同時(shí)，星核之外依次有較輕元素的

51、燃燒層，結(jié)果是(鐵）星核增大，直到星核質(zhì)量超過白矮星質(zhì)量上限（錢德拉塞卡限，1.4 M0)，星核開始坍縮為中子星。星核坍縮非?？?，僅0. 1秒就把釋放的幾乎全部引力勢能（約1053爾格）轉(zhuǎn)化為中微子，中微子約10 秒就從星核跑出來，大部分中微子繼續(xù)以近光速無阻擋地穿過恒星的外部，小部分把恒星的外層物質(zhì)高速推斥出去，呈現(xiàn)的n型超新星爆發(fā)，在幾星期內(nèi)發(fā)出的輻射為100億到1000億，其光輝相等于一個旋渦星系的總輻射。超新星爆發(fā)拋出重元素物質(zhì)到恒星際，成為下一代恒星形成的原料。50 M(以上的特大恒星是較少的，它們的前期演化跟上述的大質(zhì)量恒星類似，但演化進(jìn)行得更快。當(dāng)它們演化離開主序，很快地拋出其大

52、氣，僅留下氦(星)核。這些天體以發(fā)現(xiàn)者命名為“沃爾夫-拉葉(W-R)星”。它們進(jìn)一步演化中發(fā)生爆炸,呈現(xiàn)為Tb型超新星。它們的鐵星核是比中子星質(zhì)量還大的，以致中子簡并也不能阻止坍縮，坍縮到星核的引力非常大、連光 子也逃不出，這就是“黑洞”。中子星和黑洞的質(zhì)量分界限（約23 M&)稱 為“奧本海默限”。四、雙星的起源和密近雙星的演化一般認(rèn)為，雙星跟單星一樣是星際云碎裂的小云形成的，但因初始角動量較大，在一個小云自吸引收縮中自轉(zhuǎn)加快，發(fā)生自轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性而分為兩個原恒星，形成雙星的兩顆子星。也有論證在新形成的星團(tuán)中的原恒星相遇而浮獲成雙星的。還有認(rèn)為密近雙星是由快速自轉(zhuǎn)而分裂為雙星的。相距甚遠(yuǎn)的兩子星

53、基本上各自跟單星一樣演化。但密近雙星的兩子星是半接或相接的，它們之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移影響子星的演化。當(dāng)大質(zhì)量子星很快演化到巨星，其體積膨脹而充滿洛希瓣，有物質(zhì)經(jīng)過“內(nèi)拉格朗日點(diǎn)”而流人物質(zhì)到較小的另顆子星。于是，失去質(zhì)量的主星就演化為質(zhì)量較小的恒星，而伴星得到物質(zhì)而成為仍在主序的大質(zhì)董恒星，著名的交食雙星大陵五（1 “0的巨星和5 的主序星）就是這樣的雙星。密近雙星的演化可以導(dǎo)致一星失掉外層物質(zhì)給另星，然后前者坍縮為較小質(zhì)量的特殊星。假如前者爆炸為超新星，我們就看到稱為特殊的“裸露”超新星。一種特殊情況是兩顆子星都膨脹而失去物質(zhì)到太空，兩顆子星合并為單一的、自轉(zhuǎn)快的巨星(而一般E星是自轉(zhuǎn)慢的）。還有

54、一種特殊情況是一星因失去物質(zhì)給伴星而演化為白矮星，獲得物質(zhì)的伴星后來演化中膨脹又向白矮星轉(zhuǎn)移物質(zhì)，形成環(huán)繞白矮星的吸積盤。吸積盤因摩擦力和引潮力而變得很熱，內(nèi)部可能溫度超過百萬度，發(fā)生很強(qiáng)的X射線。此外，從吸積盤落到白矮星上的富氫物質(zhì)足夠多就會突然發(fā)生氫燃燒，造成猛烈爆炸，呈現(xiàn)為“新星”，高速（幾千的原子數(shù)目的相對比值(一般取硅的原子數(shù)目為106);觀測研究大量恒星等天體的元素豐度，得出宇宙的元素豐度。結(jié)果表明，宇宙的元素豐度基本跟太陽系的一致。但有些天體跟宇宙的元素豐度有顯著差別，這跟它們形成時(shí)的宇宙環(huán)境條件及自身的演化有關(guān)。譬如，宇宙早期只形成氫氮等輕元素，因而最早形成的恒星和星系缺乏重元

55、素，而在恒星演化中才生成部分重元素。宇宙中最豐富元素是氫，其次是氦，它們的豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它元素;元素豐度總的趨勢是隨質(zhì)量數(shù)增加而減小，但存在一些起伏，最明顯的是鋰、鈹和硼的豐度比鄰近的元素低得多，而鐵附近的元素（鉻、錳、鐵、鈷和鑄)的豐度有峰值（“鐵峰”），這些鐵峰元素的原子核是結(jié)合得最緊密的原子核。冷巨星物質(zhì)流到白矮星，天鷹座R不規(guī)則星云發(fā)生類新星爆發(fā)（公里/秒)拋出的熱氣殼，雖然質(zhì)量不多（約萬分之一 M0)，但比太陽亮10 萬倍。氣殼膨脹，變冷而稀疏，亮度衰弱。隨后，吸積盤又發(fā)展，積累千年到萬年，再爆炸為再發(fā)新星或矮新星。五、恒星的核合成和元素豐度除了氫、氦和少數(shù)輕元素，重元素都是在恒星內(nèi)

56、部的熱核反應(yīng)由較輕元素聚變的(原子)核合成的。恒星演化中的一系列復(fù)雜熱核反應(yīng)逐漸改變內(nèi)部的化學(xué)成分。研究恒星的核合成過程可以了解宇宙中各種化學(xué)元素（包括同位素）的起源。1S37年，戈?duì)柕率┟滋刈钕妊芯刻栂档脑刎S度。根據(jù)隕石的化學(xué)分析以及太陽光譜觀測研究，綜合出太陽系的元素(相對）豐度，即各種元素。第四講 光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一、光學(xué)天文觀測儀器系統(tǒng)天文觀測儀器系統(tǒng)包括有望遠(yuǎn)鏡、輻射分析器、探測器和電腦等部分。望遠(yuǎn)鏡用于收聚天體來的輻射，輻射分析器和探測器用于測量天體輻射，電腦用于記錄和處理天體信息及儀器控制。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡有三方面作用：一是增加聚光，人眼瞳孔很小（最大直 徑僅8毫米），收聚天體輻射就少，

57、望遠(yuǎn)鏡的大物鏡可收聚上億倍于人眼的天體輻射；二是提高分辨能力，人眼直接看不清的月球表面細(xì)節(jié)，望遠(yuǎn)鏡則可分辨出來，三是望遠(yuǎn)鏡機(jī)械裝置容易對準(zhǔn)天體并進(jìn)行較長時(shí)間跟蹤觀測。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡總體結(jié)構(gòu)(圖3.6)可分為光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械裝置、電控設(shè)備三部分。光學(xué)系統(tǒng)是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的最基本部分，其主件是物鏡。跟照相機(jī)鏡 頭（它也可作小物鏡）的作用一樣，物鏡收集天體來的更多輻射并聚焦呈出天體像，以便觀測研究。天體攝像可以直接在物鏡的焦面上進(jìn)行，或者再另用鏡頭把物鏡焦面上的天體像作二次（放大或縮?。┏上瘛＿M(jìn)行天體的目視觀測還需用目鏡來觀看物鏡焦面上的天體像。物鏡及目鏡裝在一個鏡筒上。常把兩三個用途不同的望遠(yuǎn)鏡以光軸平行地

58、并裝在一起，小的尋星望遠(yuǎn)鏡視場大，便于尋星，而大的主望遠(yuǎn)鏡可加載不同的探測儀器，作主要觀測用。機(jī)械裝置包括基座及其上面兩個相互垂直的轉(zhuǎn)軸、刻度盤及指標(biāo)，以便 于望遠(yuǎn)鏡靈活地對向天體。機(jī)械裝置按轉(zhuǎn)軸方向不同常采用地平式和赤道式。赤道式裝置的兩個軸是極軸和赤緯軸。極軸平行于地球自轉(zhuǎn)軸，而赤緯軸平行于赤道面。望遠(yuǎn)鏡繞赤諱軸轉(zhuǎn)動可對向天體的赤緯，繞極軸轉(zhuǎn)動可對向天體的時(shí)角（赤經(jīng))且易跟蹤天體的周日運(yùn)動。多數(shù)望遠(yuǎn)鏡采用這類裝置，因而常稱為“赤道儀”。具體型式又分為德國式、英國式、框架式、馬蹄式、叉式。地平式裝置的兩個軸分布在垂直和水平方向。望遠(yuǎn)鏡繞垂直軸轉(zhuǎn)動可對向天體的地平經(jīng)度(方位角），繞水平軸轉(zhuǎn)動可

59、對向天體的地平緯度（高度角）。天體測量儀器(如經(jīng)韓儀，見圖1.3(c)和人造衛(wèi)星觀測儀常用地平式裝置，重量大的望遠(yuǎn)鏡也用這類穩(wěn)定性較好、造價(jià)較低的裝置。電控設(shè)備用于控制望遠(yuǎn)鏡的指向并跟蹤天體視運(yùn)動。由鐘控電機(jī)驅(qū)動傳動系統(tǒng)帶動極軸轉(zhuǎn)動(常稱為轉(zhuǎn)儀鐘），而自動或手控設(shè)備控制電機(jī)的運(yùn)行狀況。二、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的性能為了更有效地使用光學(xué)望4遠(yuǎn)鏡，需要很好地了解其性能。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡 的性能由以下六個物理量表征。1. 口徑望遠(yuǎn)鏡口徑一般指物鏡的有效通光直徑，常以符號D表示。物鏡收集星光的能力跟其面積UD2/4)成正比，因此，物鏡的口徑越大就越容易觀測到更暗的天體，望遠(yuǎn)鏡就可以觀測到人眼直接看不到的暗天體。2.

60、分辨本領(lǐng)望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)以最小分辨角來表征。分辨角越小，分辨本領(lǐng)越高。恒星遙遠(yuǎn)且視角徑微小，在望遠(yuǎn)鏡中恒星像仍呈點(diǎn)狀，這樣的光源稱為“點(diǎn)光源”。太陽、月球、行星和星云等天體的視角徑較明顯，用望遠(yuǎn)鏡可以看出視面，統(tǒng)稱“有視面天體”或“延展天體”。最小分辨角是指望遠(yuǎn)鏡剛好可分辨的兩個點(diǎn)光源(如雙星)的角距或延展天體視面細(xì)節(jié)的角距。由于物鏡的 光衍射效應(yīng)，點(diǎn)光源的像不是理想的點(diǎn)而是小衍射斑，因而限制望遠(yuǎn)鏡的分辨角。高品質(zhì)物鏡的分辨角呎弧度)跟物鏡口徑D和波長X有關(guān)：目視觀測最敏感波長為0. 55微米，當(dāng)D以毫米為單位時(shí)，目視觀測分辨角的角秒值為：例如，物鏡口徑10毫米的望遠(yuǎn)鏡最小分辨角為1.4。作為