宇宙結構與恒星演化稿

宇宙結構與恒星演化稿第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六一、宇宙的結構太陽系銀河系和河外星系宇宙地球和月球第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六問題一：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第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六問題二：我們怎樣知道地球在旋轉？恒星的周日視運動第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六問題三：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？第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六月球成因的猜想：

第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六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構？第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六銀河系和河外星系第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六橢圓星系棒旋星系旋渦星系第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六宇宙天文學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（億光年以上的結構）看，宇宙物質的分布是均勻的。宇宙的起源第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六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”

第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六二、恒星的演化過程恒星：像太陽一樣，所有的恒星都是熾熱的巨大的發(fā)光氣體球。恒星大多由氫構成，由核聚變產生能量。太陽只是一顆中等亮度的恒星。

恒星的分類天文學家根據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。第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六中行星(太陽)白矮星中子星巨星超巨星第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六恒星顏色、溫度和亮度的一些關系(P80)第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六恒星離我們的距離如何測定？θ第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六我們怎樣知道恒星的組成物質？光譜分析氫鈣鈉氦第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六星云原恒星（幼年）主序星（青壯年）紅巨星或超紅巨星（中老年）白矮星（小質量恒星)中子星或黑洞（大質量恒星）第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六恒星的壽命取決于它的質量第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六恒星的誕生在星際空間普遍存在著極其稀薄的物質，主要由氣體和塵埃構成。它們的溫度約10～100K，密度約10-24～10-23g/cm3，相當于1cm3中有1～10個氫原子。星際物質在空間的分布并不是均勻的，通常是成塊地出現，形成彌漫的星云。星云里3/4質量的物質是氫，處于電中性或電離態(tài)，其余約1/4是氦以及極少數比氦更重的元素。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足夠多，那么它在動力學上就是不穩(wěn)定的。在外界擾動的影響下，星云會向內收縮并分裂成較小的團塊，經過多次的分裂和收縮，逐漸在團塊中心形成了致密的核。當核區(qū)的溫度升高到氫核聚變反應可以進行時，一顆新恒星就誕生了。第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六Eagle星云

恒星正在這里形成第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六恒星的演化：主序星紅巨星與超紅巨星主序星（恒星的青壯年）

恒星以內部氫核聚變?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量的不同而相差很多。質量越大，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：質量等于太陽質量的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。太陽現在的年齡為46億多年，它的主序階段已過去了約一半的時間，還要50億年才會轉到另一個演化階段。與其他恒星相比，太陽的質量、溫度和光度都大概居中，是一顆相當典型的主序星。主序星的很多性質可以從研究太陽得出，恒星研究的某些結果也可以用來了解太陽的某些性質。第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六紅巨星與超紅巨星（恒星的中老年）當恒星中心區(qū)的氫消耗殆盡形成由氦構成的核球之后，氫聚變的熱核反應就無法在中心區(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，使星體外層物質受熱膨脹起來向紅巨星或紅超巨星轉化。轉化期間，氫燃燒層產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能率的增長，因此總光度雖可能增長，表面溫度卻會下降。質量高于4倍太陽質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。質量低于4倍太陽質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能較多。

預計太陽在紅巨星階段將大約停留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℃。第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六恒星的歸宿：與其質量有關現代恒星演化理論認為：如果一顆恒星的質量比太陽的質量大得多（12~100被太陽質量），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中曾產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中兩星間質量的交換所形成的。第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六在爆發(fā)和損失質量后，恒星的最終歸宿有以下三種：質量不大于太陽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105~107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）。質量在1.4至3倍太陽質量的恒星將成為一顆中子星，星體中的質子和電子結合成為中子，其密度更高（外層：每立方厘米1011~1014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，如果跟大質量的恒星在其爆發(fā)過程中不能噴灑出它的大部分質量的話，最終必將成為黑洞。

黒洞第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六大質量恒星的死亡中子星或黑洞大質量恒星經過一系列核反應后，形成重元素在內、輕元素在外的洋蔥狀結構，其核心主要由鐵核構成。此后的核反應無法提供恒星的能源，鐵核開始向內坍塌，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)對于星際物質的化學成分有關鍵影響，這些物質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，電子都被擠壓到與質子結合成為中子簡并態(tài)，密度達到10億噸/立方厘米。由這種物質構成的天體叫做中子星。一顆與太陽質量相同的中子星半徑只有大約10千米。第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六從理論上推算，中子星也有質量上限，最大不能超過大約3倍太陽質量。如果在超新星爆發(fā)后核心剩余物質還超過大約3倍太陽質量，中子簡并態(tài)也抗不住所受的壓力，只能繼續(xù)坍縮下去。最后這團物質收縮到很小的時候，在它附近的引力就大到足以使運動最快的光子也無法擺脫它的束縛。因為光速是現知任何物質運動速度的極限，連光子都無法擺脫的天體必然能束縛住任何物質，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，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的一切物質，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，對黑洞的研究在當代天文學及物理學中有重大的意義。黒洞第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六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１０點鐘的方向。球狀星團Ｍ４中的白矮星Ｍ４是離地球最近的球狀星團，47光年擁有超過１０００００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。光度相當于10億個太陽

恒星的一生第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六人類為什么要探索宇宙空間？花費巨大的宇宙探索值得嗎？第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六宇宙的起源本世紀，有兩種“宇宙模型”比較有影響。一是穩(wěn)態(tài)理論：穩(wěn)態(tài)理論認為，宇宙在任何時候，平均來說始終保持相同的狀態(tài)。

若干世紀以來，很多科學家認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束。即使是在發(fā)現宇宙正在膨脹之后，這種想法也沒有被放棄。托馬斯.戈爾德(ThomasGold)，赫爾曼.邦迪(HermanBondi)及弗雷德.霍伊爾(FredHoyle)于40年代后期提出，物質正以恰當的速度不斷創(chuàng)生著，這一創(chuàng)生速度剛好與因膨脹而使物質變稀的效果相平衡，從而使宇宙中的物質密度維持不變。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，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。它非常肯定地預言宇宙應該是什么樣子的。也正因如此，它很容易遭受觀測事實的質疑或反駁。當宇宙背景輻射被發(fā)現后，這一理論基本上已被否定。第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六1948年，美國的物理學家伽莫夫提出了宇宙大爆炸學說。他認為：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”，物質只能以質子、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、分子，并復合成通常的氣體。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，最終形成我們現在所看到的宇宙。二是宇宙大爆炸理論：

第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期六1、20年代后期，愛德溫·哈勃(EdwinHubble)發(fā)現遙遠星系的光波“變長”了（即紅移現象），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，美國的射電天文學家阿爾諾·彭齊亞斯(ArnoPenzias)和羅伯特·威爾遜(RobertWilson)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的發(fā)光情況完全符合。所以很多科學