科普天文學(xué)演示模板兩篇

第四章

恒星

恒星的位置看來固定不變，因而古人稱之為“恒”星，即固定不動(dòng)的星。一般來說，恒星都是氣體球，沒有固態(tài)表面，通過自身引力聚集而成。它區(qū)別于行星的一個(gè)重要性質(zhì)是它自己能夠強(qiáng)烈發(fā)光。太陽是一顆恒星。恒星是指由內(nèi)部能源產(chǎn)生輻射而發(fā)光的大質(zhì)量球狀天體。參數(shù)變化范圍質(zhì)量M10-1M⊙≤M≤102M⊙

半徑R10-3R⊙≤R≤103R⊙

表面溫度T103K≤T≤105K光度L10-4L⊙≤L≤106L⊙

M⊙是太陽的質(zhì)量，R⊙是太陽的半徑，L⊙為太陽的光度。對(duì)恒星的研究表明：恒星主要是由氫組成的氣體球。氫聚變成氦而放出能量，然后氦又可聚變成更重的元素放出能量，因此恒星的化學(xué)組成同她得年齡有關(guān)。恒星的信息源

恒星具有極高的溫度，有大量的激烈運(yùn)動(dòng)著的電離的電子，發(fā)出強(qiáng)大的電磁波輻射（電磁波是原子中的電荷作變速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的）。波長范圍從最長的無線電波到最短的γ射線。電磁波：可見光其他信息源：宇宙線、中微子、引力波、射電波、X射線、γ射線、紅外線來自恒星以及其他天體的輻射穿過地球大氣層是，很多波段都被大氣分子吸收掉了。屏蔽紫外線的主要是大氣中得臭氧層和氧原子、氧分子、氮分子；屏蔽一部分紅外線的主要是大氣中得水分子和二氧化碳分子。有兩處透明窗口：光學(xué)窗口和無線電窗口，為人類天文學(xué)的發(fā)展提供了必要地信息通道。

光學(xué)窗口：0.35~22微米可見光和一部分紅外線（17~22微米半透）。

無線電窗口：1毫米~30米的無線電波段。不同波長的電磁波，其光子多具有的能量是不同的。光子的能量E與波長的關(guān)系λ的關(guān)系為式中c是傳播速度，焦耳

秒稱為普朗克常數(shù)。波長愈短，能量愈高。電磁波在本質(zhì)上是相同的，僅在波長頻率和光子能量方面有所差別。（c是傳播速度）波長不同的電磁波在真空中得傳播速度都一樣。波長λ和頻率ν之間滿足公式波長愈短，頻率愈高。不同波長的電磁波也可以用頻率來表示，換算公式頻率波長赫茲微米波長和光子能量之間有固定的關(guān)系，電磁波譜有事也用光子能量來描述。光子能量的單位常用電子伏特（eV）來表示。電子伏特是一個(gè)電子通過1伏特電位差時(shí)獲得的能量，1電子伏=1.6022x10-19焦耳。電子伏在無線電波段常用頻率；在光學(xué)波段常用波長；在X射線和γ射線波段用光子能量來描述.4.1恒星參數(shù)的測(cè)定

4.1.1.恒星的距離

恒星離我們非常遙遠(yuǎn)，除太陽外，離我們最近的恒星是半人馬座比鄰星，距離約為4×1013千米，4.22光年。天文學(xué)上常用的距離單位：①天文單位，即日地平均距離，為1AU=149597870千米=1.49597870×1011米②光年，光在一年中走過的距離，1l.y.=0.946053×1016米③秒差距，周年視差為1″對(duì)應(yīng)的距離，1pc=3.08568×1016米1光年=0.307秒差距1秒差距=206265AU周年視差π=1''的恒星與地球的距離r為206265AU，這個(gè)距離定義為1秒差距（1pc）。秒差距（Parsec,縮寫pc）測(cè)定恒星距離最基本的方法是三角視差法，此法主要用于測(cè)量較近的恒星距離。然而對(duì)大多數(shù)恒星說來，這個(gè)張角太小，無法測(cè)準(zhǔn)。所以測(cè)定恒星距離常使用一些間接的方法，如分光視差法、星團(tuán)視差法、統(tǒng)計(jì)視差法以及由造父變星的周光關(guān)系確定視差，等等。這些間接的方法都是以三角視差法為基礎(chǔ)的。恒星距離的測(cè)定恒星的距離是借助于測(cè)定周年視差而獲得的

r=a/π太陽到恒星的距離為r,單位為光年或秒差距日地平均距離為a，單位為天文單位恒星的周年視差為π，單位為弧秒三角視差法測(cè)距離三個(gè)著名恒星距離名稱視差距離比鄰星0.76

″4.3光年織女星

0.12″27光年天狼星0.37″8.8光年光速：c=3.0x108m/s最快飛機(jī)速速：v=1.0x108m/h=3.0x104m/s

光度為恒星的能量發(fā)射率，即整個(gè)星面每秒釋放的能量，用L表示。他在國際單位的典型表示法式是瓦特(Watt)，在c.g.s.制是爾格/秒，或是以太陽光度來表示，也就是以太陽輻射的能量為一個(gè)單位來表示。太陽的光度是3.827×1026瓦特。

一顆恒星的光度決定于恒星的表面溫度和表面積——較大的恒星比同溫度的較小恒星輻射更多的能量，所以，表面溫度相同(因而顏色相同)的兩顆恒星可能有極不相同的光度，而光度相同的兩顆恒星可能有完全不同的表面溫度(和顏色)。

光度是與距離無關(guān)的真實(shí)常數(shù)，亮度則明顯的與距離有關(guān)，而且是與距離的平方成反比，亮度通常會(huì)以視星等來量度，那是一種對(duì)數(shù)的關(guān)系。4.1.2恒星的光度、照度和和星等光度（luminosity）

恒星看起來的明暗程度稱為視亮度，簡稱亮度，就是指照度，用E表示。

照度是每單位面積所接收到的光通量。SI制單位是勒克斯(lx=lux)，1(勒克斯)=1(流明/平方米)。對(duì)于接受天體輻射的人眼或儀器來說，單位時(shí)間入射到其單位面積的能量。表示某處感應(yīng)器感應(yīng)到的恒星的能量。照度（Illuminance）

在天文學(xué)上，星的亮度用星等表示。古人按照星的明暗程度把星星分為6個(gè)亮度等級(jí)，天球上約20顆最亮的星稱為一等星，肉眼剛剛能看到的星稱為六等星。通常以拉丁字母m表示星等。這個(gè)星等系統(tǒng)原則上保留到現(xiàn)在，并給予標(biāo)準(zhǔn)化后推廣到特別亮的天體以及肉眼看不見但用望遠(yuǎn)鏡能看見的暗星上去。

星等是衡量天體光度的量。在不明確說明的情況下，星等一般指目視星等。為了比較天體的發(fā)光強(qiáng)度，采用絕對(duì)星等。絕對(duì)星等M的定義是，把天體假想置于距離10秒差距處所得到的視星等。若已知天體的視差π（以角秒計(jì)）和經(jīng)星際消光改正的視星等m，可按下列公式計(jì)算絕對(duì)星等：M=m+5+5lgπ。對(duì)應(yīng)不同系統(tǒng)的視星等有不同的絕對(duì)星等。天體光度測(cè)量直接得到的星等同天體的距離有關(guān)，稱為視星等，它反映天體的視亮度。一顆很亮的星可以由于距離遠(yuǎn)而顯得很暗（星等數(shù)值大）；而一顆實(shí)際上很暗的星可能由于距離近而顯得很亮（星等數(shù)值?。?。對(duì)于點(diǎn)光源,則代表天體在地球上的照度。星等常用m表示。對(duì)應(yīng)不同探測(cè)器有各種星等系統(tǒng)。星等（magnitude）星等系統(tǒng)：目視星等、照相星等、光電星等視星等絕對(duì)星等4.1.3恒星的大小、質(zhì)量和密度

恒星的真直徑可以根據(jù)恒星的視直徑（角直徑）和距離計(jì)算出來。常用的干涉儀或月掩星方法可以測(cè)出小到0.01的恒星的角直徑，更小的恒星不容易測(cè)準(zhǔn)，加上測(cè)量距離的誤差，所以恒星的真直徑可靠的不多。根據(jù)食雙星兼分光雙星的軌道資料，也可得出某些恒星直徑。對(duì)有些恒星，也可根據(jù)絕對(duì)星等和有效溫度來推算其真直徑。星名視差(弧秒)角直徑（弧秒）線直徑（太陽直徑為1）獵戶座α0.005″0.047″1000鯨魚座α0.023″0.056″480金牛座α0.048″0.021″94御夫座α0.073″0.004″13天狼A0.375″0.006″1.85太陽1.00天狼B0.375″0.000077″0.044范瑪倫星0.235″0.000019″0.009觀測(cè)結(jié)果：恒星的直徑相差很大，大的有太陽直徑的幾百倍甚至一兩千倍，小的只有不到太陽直徑的十分之一。

恒星的質(zhì)量是很重要的一個(gè)參量，但是除太陽外，目前只能對(duì)某些雙星進(jìn)行直接測(cè)定，其他恒星的質(zhì)量都是間接得到的，如通過質(zhì)光關(guān)系來測(cè)定的。4.1.4恒星的質(zhì)量 1、測(cè)定雙星質(zhì)量的基本原理是依據(jù)開普勒第三定律——雙星系統(tǒng)的總質(zhì)量與軌道半長徑的立方成正比，與軌道周期的平方成反比結(jié)合天體測(cè)量法測(cè)出兩子星相對(duì)質(zhì)心的距離

和,則可知兩子星的質(zhì)量比從而可求出每個(gè)子星的質(zhì)量２、質(zhì)光關(guān)系：

對(duì)于質(zhì)量大于0.2M⊙的主序星，恒星的質(zhì)量和光度之間有很好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，稱之為“質(zhì)光關(guān)系”。恒星的質(zhì)量越大，其對(duì)應(yīng)的光度越強(qiáng)。一般符合如下關(guān)系

1924年愛丁頓從理論上導(dǎo)出絕對(duì)光度為L的恒星與其質(zhì)量M有L=kM3.5的簡單關(guān)系,其中k為常數(shù)。 lg(L/L⊙)=3.8lg(M/M⊙)+0.084.2恒星光譜及其相關(guān)性質(zhì)

太陽的光譜是紅、橙、黃、綠、青、靛、紫七色，原因是什么呢？

4.2.1光譜概念的物理基礎(chǔ)

量子力學(xué)創(chuàng)立于20世紀(jì)初，是研究電子、質(zhì)子、中子以及原子和分子內(nèi)其他亞原子粒子運(yùn)動(dòng)的一門科學(xué)。相對(duì)于量子力學(xué)，牛頓力學(xué)稱為經(jīng)典力學(xué)。利用牛頓力學(xué)，人們認(rèn)識(shí)了太陽系。同樣，人們想象一個(gè)原子就是一個(gè)小太陽系：核在中心，電子在固定的軌道繞核“公轉(zhuǎn)”。但按照量子力學(xué)的說法，原子中沒有電子運(yùn)動(dòng)的軌道，只能說電子可能出現(xiàn)在什么地方。天文學(xué)包括天體力學(xué)、天體物理學(xué)等數(shù)十個(gè)分支和量子力學(xué)的建立，使人們能正確地認(rèn)識(shí)微觀世界，愛因斯坦狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的建立改變了人們對(duì)時(shí)間和空間本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也給了天文學(xué)家更深入認(rèn)識(shí)恒星和天體的一個(gè)理論工具。4.2.2恒星光譜與氫原子譜線光譜有連續(xù)光譜，線光譜和帶光譜。太陽光譜其實(shí)并不是一條連續(xù)的光帶，而是帶有許多暗線條

氫原子光譜（巴爾默系，背景彩色是為了表示三條光譜線的位置而加進(jìn)去的）。

4.2.3

光譜在恒星研究中的應(yīng)用 1、確定恒星的化學(xué)組成 2、確定恒星的溫度 3、確定恒星的視向速度和自轉(zhuǎn)光譜型顏色表面溫度（開）典型星O藍(lán)40000~25000參宿一B藍(lán)白25000~12000參宿五A白11500~7700織女星F黃白7600~6100小犬座αG黃6000~5000太陽K橙4900~3700牧夫座αM紅3600~2600心宿二恒星光譜的分類

4.2.4恒星的光譜、顏色和表面溫度之間的關(guān)系Oh!BeAFairGirlKissMe.4.2.5恒星的赫羅圖丹麥科學(xué)家赫茨普龍(E.Hertzsprung)于1911年，天文學(xué)家羅素（H.N.Russell）于1913年，分別的繪制了恒星的光譜—光度圖。Innerradiative,outerconvectivezoneInnerconvective,outerradiativezoneCNOcycledominantPPchaindominant4.3變星和新星變星：亮度在較短時(shí)期內(nèi)有顯著變化的星為變星。新星:有少數(shù)星的亮度可在幾天內(nèi)猛增幾萬倍，較原有星等減少10-14等，把這些突然爆發(fā)的星稱為新星。超新星:超新星的爆發(fā)規(guī)模比新星還要大，它發(fā)亮?xí)r亮度的增幅為新星的數(shù)百至數(shù)千倍，拋出的氣殼速度可超過104km/s。是所有變星中最壯觀的一類，是恒星的災(zāi)變性爆發(fā)。輻射能估計(jì)為1042~1043J,拋出的物質(zhì)質(zhì)量達(dá)1~10m⊙,動(dòng)能達(dá)1043~1044J。4.3.1造父變星造父變星又稱長周期造父變星或經(jīng)典造父變星，是脈動(dòng)變星的一種，這類變星的亮度變化是周期性的，一般周期在1.5～80天之間。周光關(guān)系：周期和絕對(duì)星等之間的關(guān)系。造父變星的平均絕對(duì)星等M與其周期的對(duì)數(shù)lgP近似成直線關(guān)系周光關(guān)系新星4.3.2新星和超新星

亮度會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)迅速增加，達(dá)到極大后慢慢減弱，幾年或幾十年后恢復(fù)到原來的亮度，這種星叫新星。

有些恒星爆發(fā)時(shí)規(guī)模比新星更巨大，

光度增加1億倍，這種星稱為超新星。超新星蟹狀星云（M1，或NGC1952）位于金牛座ζ星東北面，距地球約6500光年。它是個(gè)超新星殘骸，源于一次超新星（天關(guān)客星，SN1054）爆炸。氣體總質(zhì)量約為太陽的十分之一，直徑六光年，現(xiàn)正以每秒一千公里速度膨漲。星云中心有一顆直徑約十公里的脈沖星。這超新星爆發(fā)后剩下的中子星是在1969年被發(fā)現(xiàn)。其自轉(zhuǎn)周期為33毫秒（即每秒自轉(zhuǎn)30次）。中國的史料中有很多關(guān)于1054年超新星劇烈爆發(fā)的珍貴記錄資料。4.4不同的恒星系統(tǒng)雙星，為包含兩顆恒星的系統(tǒng)，在相互引力的影響下，兩顆恒星繞著它們共同的引力中心描繪出閉合的軌道。較亮的子星為主星，較暗的子星為伴星。雙星的兩個(gè)成員都稱為雙星的子星，較亮的子星稱為主星，較暗的稱為伴星。（一）目視雙星

在望遠(yuǎn)鏡里能直接用眼睛看出是兩顆星的雙星雙星（二）分光雙星

用光譜分析的方法發(fā)現(xiàn)的雙星雙星（三）

交

食

雙

星

聚星，三顆到十幾顆恒星聚集到一起，彼此之間有一定的物理聯(lián)系，這樣的恒星團(tuán)稱為聚星。三顆星組成的系統(tǒng)較三合星，四顆星在一起的叫四合星，以此類推。在銀河系中，雙星和聚星是很多的。聚星北斗七星中的開陽星就是著名的聚星。開陽星開陽主星輔星雙星密近雙星子星子星三合星密近雙星星團(tuán)

由幾十顆到幾百萬顆恒星聚在一起，有著某些共同的物理性質(zhì)，這樣的恒星集團(tuán)叫做星團(tuán)

疏散星團(tuán)，它的形態(tài)不規(guī)則，包含十幾至二三千顆恒星，成員星分布得較松散。疏散星團(tuán)半人馬座ω，NGC5139球狀星團(tuán)，呈球形或扁球形，與疏散星團(tuán)相比，它們是緊密的恒星集團(tuán)球狀星團(tuán)4.5星云和星際物質(zhì)

在恒星之間的空間中存在的各種各樣的物質(zhì)統(tǒng)稱為星際物質(zhì)，其中包括星云。

星

云（一）行星狀星云

行星狀星云都有一顆很熱的恒星，稱為星云的核。環(huán)狀外殼是一個(gè)透明發(fā)光物質(zhì)構(gòu)成的球或橢球。NGC72