星際介質(zhì)與恒星組成

星際介質(zhì)與恒星組成第一頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三§6.1星際氣體

1.星際介質(zhì)(interstellarmedium)星系內(nèi)恒星與恒星之間（6-10ly）的物質(zhì)。包括星際氣體、星際塵埃、宇宙線(xiàn)與星際磁場(chǎng)。星際物質(zhì)的質(zhì)量約占銀河系恒星質(zhì)量的10%星際物質(zhì)主要分布在距離銀道面約1000ly的范圍內(nèi)。第二頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三性質(zhì)氣體塵埃質(zhì)量百分比99%1%組成HI,HII,H2(70%);He(28%);N,Ne,Na等(2%)固體粒子（直徑~0.01-0.1μm），如冰、硅、石墨等粒子數(shù)密度1cm-3(vacuum:104cm-3)10-13

cm-3質(zhì)量密度10-24gcm-310-27gcm-3溫度~100K,104K,50K(HI,HII,H2)10-20K研究手段星際吸收線(xiàn)、HI21厘米譜線(xiàn)、分子譜線(xiàn)星際消光和紅化、星際極化、紅外熱輻射第三頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.星際氣體(interstellargas)星際氣體主要由H構(gòu)成.星際氣體的空間分布是不均勻的（星云、冕氣），密度分布：10-2-106

cm-3在不同環(huán)境下H的存在方式不一樣（HI區(qū)、HII區(qū)、分子云）.第四頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.電離H云的觀測(cè)——發(fā)射星云(emissionnebulae)被高溫（O,B0-2型）恒星的紫外輻射電離的星際物質(zhì)，也稱(chēng)為HII區(qū)。M8(LagoonNebula)第五頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三(1)特征具有（容許和禁戒）發(fā)射線(xiàn)，顏色偏紅。典型溫度~8000K.蝴蝶星云（ButterflyNebula）

第六頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三(2)輻射原理星云原子中的電子受高溫恒星紫外輻射而激發(fā)或電離。電子的復(fù)合或退激發(fā)產(chǎn)生可見(jiàn)光偏紅波段（Hα~6563?）的發(fā)射線(xiàn).發(fā)射星云中的低溫、低密度條件→禁戒躍遷→綠色O[III]輻射第七頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三TheRosetteNebulaNGC2244HydrogenOxygen第八頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.中性H云的觀測(cè)——星際吸收線(xiàn)熱恒星（特別是雙星中）光譜中并非來(lái)自恒星大氣的吸收線(xiàn)，如H的Lyman線(xiàn)和Ca,Na,Fe等吸收線(xiàn)。特征：尖銳、無(wú)周期性Doppler位移。原因：星際氣體中的原子受恒星紫外光子的電離而產(chǎn)生吸收線(xiàn)。第九頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三恒星的星光在到達(dá)地球前可能會(huì)穿過(guò)多塊氣體云，由于每塊云的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，可能會(huì)出現(xiàn)多重吸收線(xiàn)。第十頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三5.中性H云的觀測(cè)——H原子21厘米譜線(xiàn)1944年H.vandeHulst預(yù)言中性H原子（100-3000K）可以產(chǎn)生波長(zhǎng)21厘米的射電譜線(xiàn)。H原子中的電子在自旋與原子自旋平行狀態(tài)和反平行狀態(tài)間的躍遷產(chǎn)生的射電譜線(xiàn)，頻率1.42GHz，波長(zhǎng)21厘米。盡管單個(gè)H原子的躍遷概率極低，由于星際空間中的H非常豐富，其產(chǎn)生的21厘米譜線(xiàn)仍然能夠觀測(cè)到。第十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三由于不受到塵埃的散射影響，H原子21厘米譜線(xiàn)是研究銀河系結(jié)構(gòu)的最佳手段之一。第十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三6.星際分子的觀測(cè)當(dāng)星際介質(zhì)的溫度很低（3-20K）時(shí)，星際分子開(kāi)始形成。分布在大的、冷的、致密暗云中。已觀測(cè)到包括H2,CO,OH,NH3等約100種無(wú)機(jī)和有機(jī)分子，其中H2分子含量最豐富（有機(jī)分子H2CO[甲醛]-NH2CH2COOH[氨基乙酸]）。第十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

輻射

電子躍遷紫外和可見(jiàn)光波段）分子振動(dòng)躍遷紅外波段分子轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷射電波段第十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三示蹤分子 H2分子不發(fā)射射電輻射，但通常與CO、HCN、NH3、H2O分子成協(xié)。 如利用CO分子的2.6毫米射電輻射可以研究H2分子的分布。第十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三分子云(molecularclouds) 通過(guò)觀測(cè)CO分子的輻射，發(fā)現(xiàn)星際分子聚集成團(tuán)形成分子云。 質(zhì)量：1-106M⊙，直徑：1-600ly，密度：103-105

cm-3 分子云占據(jù)銀盤(pán)內(nèi)大約1%的空間，質(zhì)量大約占星際氣體總質(zhì)量的50%。第十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三MolecularCloudBarnard68

第十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三GiantMolecularCloudsAcloudwithadiameterof300lightyears.Temperatures~20K,numberdensities~100-300cm-3,masses~106

M⊙.Onlyabout10percentofthecloudwillbeinclumpsdenseenoughforstarstoformGiantmolecularcloudslastfor10to100millionyearsbeforetheydissipate.

第十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三7.云際氣體在星際云間的空間中也存在氣體。主要有中性的稀薄氣體和更稀薄的熱氣體（~104

K）。紫外和X射線(xiàn)觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)存在一類(lèi)溫度高達(dá)106-107

K的熱氣體，稱(chēng)為云際冕氣(coronalgas)。20-60%的星際空間被云際冕氣占據(jù)。這些氣體的高溫主要來(lái)自超新星的加熱。第十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三小結(jié)：星際氣體的主要性質(zhì)

成分觀測(cè)證據(jù)溫度(K)密度(cm-3)質(zhì)量百分比HI區(qū)21厘米譜線(xiàn)，紫外吸收線(xiàn)50-1001-5040%分子云紅外輻射，紫外吸收線(xiàn)，CO射電和紅外輻射10-50102-10940%HII區(qū)光學(xué)和紅外發(fā)射線(xiàn)，射電連續(xù)輻射10410-104極少云際氣體21厘米譜線(xiàn)7,000-1040.2-0.320%云際冕氣X射線(xiàn)(OVI）輻射10610-4-10-30.1%第二十頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三§6.2星際塵埃

1.觀測(cè)證據(jù)(1)星際消光(interstellarextinction)1930R.J.Trumpler在研究疏散星團(tuán)的距離和大小時(shí)，得到了一個(gè)奇怪的結(jié)果：疏散星團(tuán)離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，直徑就必須越大，才能符合疏散星團(tuán)的視亮度和直徑的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。角直徑2視亮度第二十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三星際塵埃對(duì)星光的吸收和散射造成星光強(qiáng)度的減弱?？紤]星際消光的影響后，實(shí)際測(cè)量的天體的視星等應(yīng)為：

在銀道面附近星際消光量為Av=2mkpc-1

(2)星際紅化(interstellarreddening)星際塵埃對(duì)星光的散射隨波長(zhǎng)的變化而不同，對(duì)藍(lán)光散射較多而對(duì)紅光散射較少，因而造成星光顏色偏紅。第二十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.星際塵埃的性質(zhì)成分 硅或石墨微粒， 外面被冰或二氧化碳包裹。形成 形成于紅（超）巨星的外層大氣（低溫→氣體凝結(jié)）， 在恒星演化晚期被吹向星際空間。星際塵埃與星際分子 分子云中的塵埃屏蔽了星光中的紫外線(xiàn)，使分子免遭瓦解， 塵埃有利于分子形成。第二十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三昴星團(tuán)3.星際塵埃云的光學(xué)觀測(cè)——反射星云和暗星云反射星云(reflectionnebulae) 星云通過(guò)塵埃反射附近的熱星的星光而發(fā)光，顏色偏藍(lán)。 熱星的光譜型一般晚于B3型。第二十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三馬頭星云鷹云暗星云(darknebulae) 大量的塵埃阻擋了星云內(nèi)部或后面恒星的星光。第二十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三亮星云：發(fā)射星云，反射星云星云暗星云第二十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三蛇夫星云（RhoOphiuch）4.塵埃的紅外熱輻射塵?？梢杂行У匚展鈱W(xué)和紫外輻射。塵埃粒子受附近熱星輻射的加熱，溫度可以達(dá)到~100K，產(chǎn)生紅外熱輻射。第二十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三§6.3恒星形成的理論模型

1.銀河系內(nèi)的恒星形成過(guò)程銀河系（可見(jiàn)）質(zhì)量~1011M⊙，年齡~1010yr→銀河系平均恒星誕生率~10

M⊙yr-1

O型星壽命~106

yr→O型星是最近形成的天體→目前的恒星誕生率~3M⊙yr-1

第二十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.恒星形成恒星形成于銀河系旋臂上巨大的、冷的致密星際云。星云的坍縮造成恒星成群形成。星云坍縮、分裂、加熱→原恒星→主序星第二十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三金斯（Jeans）不穩(wěn)定性當(dāng)星云的質(zhì)量足夠高時(shí)，（向內(nèi)的）重力超過(guò)由熱運(yùn)動(dòng)和湍動(dòng)產(chǎn)生的（向外的）壓力，引起星云的收縮。星云不穩(wěn)定的極限質(zhì)量稱(chēng)為金斯（Jeans）質(zhì)量。M⊙

中性氫云：n~1cm-3,T~100K→MJ~3×104

M⊙暗分子云：n~106cm-3,T~10K→MJ~1M⊙→恒星形成于巨分子云中→恒星成群形成動(dòng)能勢(shì)能當(dāng)2K<|U|，星云坍縮第三十頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三低質(zhì)量恒星的形成過(guò)程(1)星際云(interstellarcloud) 星云坍縮，并分裂成小云塊（密度上升，金斯質(zhì)量減小）。(2)星云團(tuán)塊(cloudfragment) 星云仍十分稀薄，熱量可以不受阻礙地散逸，星云內(nèi)的溫度沒(méi)有明顯上升。階段觀測(cè)天體核心溫度(K)表面溫度(K)核心密度(cm-3)直徑(cm)持續(xù)時(shí)間(yr)1星際云101010310192×1062云塊1001010610173×104第三十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三(3)團(tuán)塊/原恒星(fragment/protostar) 星云進(jìn)一步坍縮和分裂，密度上升。 核心區(qū)域變得不透明，溫度迅速上升，金斯質(zhì)量增大。 星云停止分裂，云塊開(kāi)始坍縮。階段觀測(cè)天體核心溫度(K)表面溫度(K)核心密度(cm-3)直徑(cm)持續(xù)時(shí)間(yr)3云塊/原恒星10410010121015105第三十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三(4)原恒星(protostar) 原恒星以Kelvin-Helmhotz時(shí)標(biāo)收縮，溫度進(jìn)一步升高。

階段觀測(cè)天體核心溫度(K)表面溫度(K)核心密度(cm-3)直徑(cm)持續(xù)時(shí)間(yr)4原恒星106300010181013106第三十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三(5)主序前星(pre-main-sequencestar) 原恒星向主序演化成為主序前星（金牛座T型星）， 但內(nèi)部溫度還沒(méi)有升高到H的點(diǎn)火溫度。階段觀測(cè)天體核心溫度(K)表面溫度(K)核心密度(cm-3)直徑(cm)持續(xù)時(shí)間(yr)5主序前星5×106400010221012107第三十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三(6)零齡主序(zero-agemain-sequencestar) 恒星到達(dá)主序，熱核反應(yīng)（H燃燒）開(kāi)始進(jìn)行，成為零齡主序恒星。光度約為現(xiàn)在太陽(yáng)光度的2/3。(7)主序星(main-sequencestar) 恒星略微收縮，達(dá)到流體靜力學(xué)平衡。階段觀測(cè)天體核心溫度(K)表面溫度(K)核心密度(cm-3)直徑(cm)持續(xù)時(shí)間(yr)6零齡主序107450010252×10113×1077主序星1.5×107600010261.5×10111010第三十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三原恒星質(zhì)量(M⊙)0.21.05.015.0原恒星演化時(shí)間(yr)1093×1077×1066×104具有不同質(zhì)量恒星的形成 不同質(zhì)量的恒星在形成過(guò)程中，在H-R圖上沿不同的路徑演化。 質(zhì)量越高的恒星，其原恒星演化到主序的時(shí)間越短，在主序上的位置越高。第三十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三氣體云的收縮原恒星主序前星零齡主序零齡主序云塊碎裂、輻射M<MCM>MCMC~3-6M⊙第三十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三褐矮星(browndwars)–failedstars第三十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.轉(zhuǎn)動(dòng)星云的坍縮轉(zhuǎn)動(dòng)星云在坍縮過(guò)程中會(huì)形成圍繞原恒星旋轉(zhuǎn)的環(huán)或盤(pán)。第三十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三盤(pán)中的物質(zhì)凝聚形成雙（多）星系統(tǒng)或行星系統(tǒng)。第四十頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三第四十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.星云坍縮的觸發(fā)機(jī)制(1)激波壓縮 超新星爆發(fā)、熱星輻射或銀河系旋臂轉(zhuǎn)動(dòng)等過(guò)程產(chǎn)生激波。 激波壓縮附近的星云，使其密度增大，觸發(fā)恒星的形成。 恒星形成過(guò)程可能類(lèi)似于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。第四十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三如星云M20中的激波壓縮效應(yīng)(2)星云碰撞→輻射→冷卻→坍縮第四十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三§6.4恒星形成的觀測(cè)證據(jù)第四十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.恒星形成區(qū)