第1章天文學(xué)選講-§3恒星集團(tuán)

1、3.1 3.1 雙星與聚星雙星與聚星 宇宙中恒星往往不是孤立存在的，而是與其他宇宙中恒星往往不是孤立存在的，而是與其他恒星處于某種聯(lián)系之中。恒星處于某種聯(lián)系之中。 隨著觀測(cè)方法的改進(jìn)，原來(lái)被認(rèn)為是單星而后隨著觀測(cè)方法的改進(jìn)，原來(lái)被認(rèn)為是單星而后來(lái)被確證為雙星或聚星的恒星越來(lái)越多。在太陽(yáng)附來(lái)被確證為雙星或聚星的恒星越來(lái)越多。在太陽(yáng)附近幾十光年內(nèi)，大約近幾十光年內(nèi)，大約606070%70%的恒星是雙星或聚星的恒星是雙星或聚星的成員。的成員。3.1.1 3.1.1 雙星雙星視雙星視雙星 從地球上看兩顆星的方向接近，實(shí)際上相距遙從地球上看兩顆星的方向接近，實(shí)際上相距遙遠(yuǎn)，無(wú)力學(xué)和物理聯(lián)系。遠(yuǎn)，無(wú)力學(xué)和

2、物理聯(lián)系。物理雙星物理雙星 兩星之間存在力學(xué)上的聯(lián)系，相互環(huán)繞轉(zhuǎn)動(dòng)。兩星之間存在力學(xué)上的聯(lián)系，相互環(huán)繞轉(zhuǎn)動(dòng)。其中較亮者稱主星，較暗者稱伴星。其中較亮者稱主星，較暗者稱伴星。 但如果一顆是致密星，另一顆是正常恒星，雖但如果一顆是致密星，另一顆是正常恒星，雖然致密星比正常星暗，但不少文獻(xiàn)稱致密星為主星。然致密星比正常星暗，但不少文獻(xiàn)稱致密星為主星。3.1.2 3.1.2 雙星的重要應(yīng)用雙星的重要應(yīng)用太陽(yáng)系外驗(yàn)證萬(wàn)有引力定律太陽(yáng)系外驗(yàn)證萬(wàn)有引力定律 分析雙星的軌道運(yùn)動(dòng)，證明開(kāi)普勒定律對(duì)雙星分析雙星的軌道運(yùn)動(dòng)，證明開(kāi)普勒定律對(duì)雙星也成立，由此首次在太陽(yáng)系外驗(yàn)證了萬(wàn)有引力定律。也成立，由此首次在太陽(yáng)系外

3、驗(yàn)證了萬(wàn)有引力定律。射電脈沖雙星測(cè)引力波射電脈沖雙星測(cè)引力波 引力波引力波有質(zhì)量物體加速運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)出的引力輻有質(zhì)量物體加速運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)出的引力輻射，即以波的形式傳播的時(shí)空曲率的擾動(dòng)。類似于加射，即以波的形式傳播的時(shí)空曲率的擾動(dòng)。類似于加速運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)輻射電磁場(chǎng)。頻率范圍為速運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)輻射電磁場(chǎng)。頻率范圍為10-71011Hz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍為1pc3mm。 據(jù)估算，銀河系內(nèi)所有雙星系統(tǒng)發(fā)射的引力波在據(jù)估算，銀河系內(nèi)所有雙星系統(tǒng)發(fā)射的引力波在地球上產(chǎn)生的能流為地球上產(chǎn)生的能流為10-12w/m2，僅相當(dāng)于所有恒星在，僅相當(dāng)于所有恒星在可見(jiàn)光波段的能流的可見(jiàn)光波段的能流的10-7倍。若銀河

4、系中心存在一質(zhì)量倍。若銀河系中心存在一質(zhì)量達(dá)達(dá)105108M 的黑洞，每當(dāng)它吞食一個(gè)的黑洞，每當(dāng)它吞食一個(gè)1M 的恒星的恒星時(shí)，引力輻射的能量為時(shí)，引力輻射的能量為1038J，在地球上產(chǎn)生的能流為，在地球上產(chǎn)生的能流為10-6w/m2。 射電脈沖雙星射電脈沖雙星一顆子星是射電脈沖星的雙星系統(tǒng)。一顆子星是射電脈沖星的雙星系統(tǒng)。根據(jù)根據(jù)19971997年編輯的脈沖星表，已知脈沖雙星年編輯的脈沖星表，已知脈沖雙星4646個(gè)。個(gè)。 1974年年，美國(guó)新澤西州普林斯頓大學(xué)赫爾斯和小約，美國(guó)新澤西州普林斯頓大學(xué)赫爾斯和小約瑟夫瑟夫泰勒用阿雷西博天文臺(tái)的泰勒用阿雷西博天文臺(tái)的305m口徑射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)口徑射電

5、望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星現(xiàn)脈沖星PSR1913+16。 該星脈沖周期該星脈沖周期為為59毫秒，即一秒鐘自轉(zhuǎn)毫秒，即一秒鐘自轉(zhuǎn)17次。次。 進(jìn)一步觀測(cè)發(fā)現(xiàn)脈沖周期呈進(jìn)一步觀測(cè)發(fā)現(xiàn)脈沖周期呈7.751939106小時(shí)的周期小時(shí)的周期性變化，且脈沖周期交替地、平滑地拉長(zhǎng)和縮短。由此性變化，且脈沖周期交替地、平滑地拉長(zhǎng)和縮短。由此可推斷，該星在嚴(yán)格軌道上繞一顆伴星運(yùn)動(dòng)，從而引起可推斷，該星在嚴(yán)格軌道上繞一顆伴星運(yùn)動(dòng)，從而引起多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)。7.75小時(shí)為公轉(zhuǎn)周期。小時(shí)為公轉(zhuǎn)周期。 這是人類首次發(fā)現(xiàn)脈沖雙星系統(tǒng)。這是人類首次發(fā)現(xiàn)脈沖雙星系統(tǒng)。 該雙星間距該雙星間距1950100km，即，即2.8 R （

6、太陽(yáng)半徑），（太陽(yáng)半徑），近拱點(diǎn)約近拱點(diǎn)約1.1 R ，遠(yuǎn)拱點(diǎn)約，遠(yuǎn)拱點(diǎn)約4.8 R 。軌道偏心率。軌道偏心率0.617131。近拱點(diǎn)公轉(zhuǎn)速度（相對(duì)于質(zhì)心）近拱點(diǎn)公轉(zhuǎn)速度（相對(duì)于質(zhì)心）450km/h，在遠(yuǎn)拱點(diǎn)時(shí)，在遠(yuǎn)拱點(diǎn)時(shí)的公轉(zhuǎn)速度（相對(duì)于質(zhì)心）的公轉(zhuǎn)速度（相對(duì)于質(zhì)心）110km/h。兩子星質(zhì)量相近，。兩子星質(zhì)量相近，為為1.387M 。 未觀測(cè)到該雙星系統(tǒng)的未觀測(cè)到該雙星系統(tǒng)的X射線輻射，表明伴星沒(méi)有射線輻射，表明伴星沒(méi)有物質(zhì)流向脈沖星。再結(jié)合雙星演化理論等推測(cè)，伴星很物質(zhì)流向脈沖星。再結(jié)合雙星演化理論等推測(cè)，伴星很可能也是中子星，但未必是脈沖星。可能也是中子星，但未必是脈沖星。 經(jīng)四年約一

7、千次觀察后，發(fā)現(xiàn)該雙星系統(tǒng)的半長(zhǎng)經(jīng)四年約一千次觀察后，發(fā)現(xiàn)該雙星系統(tǒng)的半長(zhǎng)軸每年縮短軸每年縮短3.5米，周期每年減少米，周期每年減少76.5微秒。兩星約微秒。兩星約3億億年后將合并。這與廣義相對(duì)論的預(yù)期值相當(dāng)符合。由此年后將合并。這與廣義相對(duì)論的預(yù)期值相當(dāng)符合。由此可推斷，系統(tǒng)的能量正以引力波的形式流失?？赏茢?，系統(tǒng)的能量正以引力波的形式流失。 兩人憑此榮獲兩人憑此榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 1959 1959年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)教授韋伯首創(chuàng)用鋁棒年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)教授韋伯首創(chuàng)用鋁棒“天線天線”檢測(cè)天體引力輻射的方法。天線為一鋁制圓筒檢測(cè)天體引力輻射的方法。天線為一鋁制圓筒

8、，直徑，直徑0.660.66米、長(zhǎng)米、長(zhǎng)1.531.53米、重米、重30003000公斤。在圓筒表面中公斤。在圓筒表面中部安裝用于位移傳感器的壓電晶體。引力波通過(guò)時(shí)，部安裝用于位移傳感器的壓電晶體。引力波通過(guò)時(shí)，圓筒因應(yīng)變而有微小震蕩，壓電晶體產(chǎn)生電壓，經(jīng)放圓筒因應(yīng)變而有微小震蕩，壓電晶體產(chǎn)生電壓，經(jīng)放大而記錄下來(lái)。韋伯等人制造了大而記錄下來(lái)。韋伯等人制造了6 6臺(tái)引力波檢驗(yàn)器，分臺(tái)引力波檢驗(yàn)器，分別放在不同地點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期的檢波記載。別放在不同地點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期的檢波記載。 同年發(fā)現(xiàn)各檢波器同時(shí)記錄到一種相同的不規(guī)則同年發(fā)現(xiàn)各檢波器同時(shí)記錄到一種相同的不規(guī)則“擾動(dòng)擾動(dòng)”，并排除聲學(xué)振動(dòng)、地震、電磁干擾

9、或宇宙，并排除聲學(xué)振動(dòng)、地震、電磁干擾或宇宙線干擾原因，故線干擾原因，故“不能排除這就是引力波不能排除這就是引力波”。3.1.3 3.1.3 聚聚 星星 又稱多合星，兩顆以上的恒星組成的又稱多合星，兩顆以上的恒星組成的恒星集團(tuán)。恒星集團(tuán)。3.2 3.2 星星 團(tuán)團(tuán) 在一起繞轉(zhuǎn)的恒星超過(guò)十顆時(shí)稱星團(tuán)。其成員在一起繞轉(zhuǎn)的恒星超過(guò)十顆時(shí)稱星團(tuán)。其成員相對(duì)周圍的場(chǎng)星（星團(tuán)或星協(xié)所在天區(qū)中不屬于它相對(duì)周圍的場(chǎng)星（星團(tuán)或星協(xié)所在天區(qū)中不屬于它們的恒星）常有一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)。們的恒星）常有一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)。 比較稀疏，成員星在十幾到幾百顆比較稀疏，成員星在十幾到幾百顆之間，多為年輕恒星。外形不太規(guī)則，之間，多為年輕

10、恒星。外形不太規(guī)則，直徑大多數(shù)在直徑大多數(shù)在3 3至至3030多光年范圍內(nèi)。多光年范圍內(nèi)。3.2.1 3.2.1 疏散星團(tuán)疏散星團(tuán) 成員星達(dá)幾萬(wàn)至千萬(wàn)顆，多為老年恒星。成員星達(dá)幾萬(wàn)至千萬(wàn)顆，多為老年恒星。形狀較規(guī)則，呈球形形狀較規(guī)則，呈球形或扁球形。直徑或扁球形。直徑15300多光年。平均空間密度比太陽(yáng)附近恒星多光年。平均空間密度比太陽(yáng)附近恒星空間密度約大空間密度約大50倍，中心密度約大倍，中心密度約大1000倍。倍。3.2.2 3.2.2 球狀星團(tuán)球狀星團(tuán)確定星團(tuán)成員星的主要標(biāo)志確定星團(tuán)成員星的主要標(biāo)志 （1 1）相鄰的恒星靠得很近，空間運(yùn)動(dòng)大）相鄰的恒星靠得很近，空間運(yùn)動(dòng)大致相同；致相同；

11、 （2 2）它們還作為一個(gè)整體在空間運(yùn)動(dòng)，）它們還作為一個(gè)整體在空間運(yùn)動(dòng)，其成員星都具有大致相同的自行。其成員星都具有大致相同的自行。 銀河系中球狀星團(tuán)的銀面聚集程度小，圍繞銀心銀河系中球狀星團(tuán)的銀面聚集程度小，圍繞銀心（人馬座方向）呈球形分布。絕大多數(shù)球狀星團(tuán)位于以（人馬座方向）呈球形分布。絕大多數(shù)球狀星團(tuán)位于以人馬座為中心的半個(gè)天球上，其中有三分之一就在人馬人馬座為中心的半個(gè)天球上，其中有三分之一就在人馬座的天區(qū)，而此區(qū)面積僅占全天球面積的座的天區(qū)，而此區(qū)面積僅占全天球面積的2%。由此天。由此天文學(xué)家領(lǐng)悟到太陽(yáng)系遠(yuǎn)離銀河系中心。文學(xué)家領(lǐng)悟到太陽(yáng)系遠(yuǎn)離銀河系中心。 由氣體和塵埃組成的云霧狀天

12、體。由氣體和塵埃組成的云霧狀天體。3.3 3.3 星星 云云星云和恒星的轉(zhuǎn)化星云和恒星的轉(zhuǎn)化 星云十分稀薄，主要成分是氫。星云密度超過(guò)星云十分稀薄，主要成分是氫。星云密度超過(guò)一定限度將在引力作用下收縮，逐漸聚集成團(tuán)。一一定限度將在引力作用下收縮，逐漸聚集成團(tuán)。一般認(rèn)為恒星就是星云在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在引力作用下般認(rèn)為恒星就是星云在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在引力作用下收縮、聚集、演化而成的。收縮、聚集、演化而成的。 恒星形成后，又可以把大量拋射物質(zhì)到星際空恒星形成后，又可以把大量拋射物質(zhì)到星際空間，成為星云的一部分原材料。所以在一定條件下間，成為星云的一部分原材料。所以在一定條件下星云和恒星可互相轉(zhuǎn)化。星云和恒星

13、可互相轉(zhuǎn)化。 1930 1930年，瑞士年，瑞士- -美國(guó)天文學(xué)家特朗普勒發(fā)現(xiàn)：疏美國(guó)天文學(xué)家特朗普勒發(fā)現(xiàn)：疏散星團(tuán)越遠(yuǎn)，直徑越大，顏色越偏紅。這一現(xiàn)象暗散星團(tuán)越遠(yuǎn)，直徑越大，顏色越偏紅。這一現(xiàn)象暗示，星際空間存在極其稀薄的塵埃物質(zhì)，在大距離示，星際空間存在極其稀薄的塵埃物質(zhì)，在大距離范圍內(nèi)可產(chǎn)生星際消光及增紅作用。星際消光雖然范圍內(nèi)可產(chǎn)生星際消光及增紅作用。星際消光雖然不影響星團(tuán)角大小的測(cè)量，但降低了恒星的視星等，不影響星團(tuán)角大小的測(cè)量，但降低了恒星的視星等，使人誤以為是星團(tuán)離得遠(yuǎn)，于是夸大了星團(tuán)的距離使人誤以為是星團(tuán)離得遠(yuǎn)，于是夸大了星團(tuán)的距離和線大小。和線大小。 由此可修正銀河系的大小，銀河系應(yīng)比原來(lái)測(cè)由此可修正銀河系的大小，銀河系應(yīng)比原來(lái)測(cè)量的要小。量的要小。3.3 3.3 星際物質(zhì)星際物質(zhì)星際物質(zhì)又稱星際介質(zhì)，星系內(nèi)恒星與恒星之間星際物質(zhì)又稱星際介質(zhì)，星系內(nèi)恒星與恒星之間的物質(zhì)。包括星云、的物質(zhì)。包括星云、HH區(qū)（氫原子大部分為中性）、區(qū)（氫原子大部分為中性）、HH區(qū)（氫原子大部分已電離）、球狀體（小型而有較區(qū)（氫原子大部分已電離）、球狀體（小型而有較大密度的球狀暗星云，為星云轉(zhuǎn)化為恒星的過(guò)渡體）、大密度的球狀暗星云，為星云轉(zhuǎn)化為恒星的過(guò)渡