天文学课件之

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1、大学物理,第七章 天体的演化,恒星的能源 中微子失踪之谜 星云孕育恒星 恒星化作星云 恒星演化的结局,大学物理,1. 太阳的能源 L3.81033 erg/s, 5109 year 可能的能源： (1) 化学反应：2H + O H2O + E 30 year (2) 引力收缩(Kelvin and Helmholtz) ： 辐射压力收缩温度辐射 (GM2/RL) 107 year,7.1 恒星的能源,大学物理,1926年，爱丁顿首先提出恒星的能源只能是来自核反应。研究核反应的物理学家认为不可能. 当时的物理学研究知道，只有当温度达到几百亿度时，才能发生聚变。而恒星中心区域的温度达不到这样的高温

2、，所以他们认为在恒星内部不可能发生核反应。 最后还是爱丁顿胜利了，物理学家终于发现，由于量子力学的隧道效应，在恒星内部温度的条件下是可以发生核反应的。但并不是爱丁顿解决的这个难题，他提 出的看法和他的名气促进物理学家研究这个问题。,大学物理,热核聚变反应,核子1 + 核子2 核子3 + 能量 质量亏损, E=mc2 核子1 + 核子2质量 核子3质量 热核聚变反应要求粒子处于高温 高密状态,Sir Arthur S. Eddington (1882 - 1944),大学物理,热核反应原理,Einstein：Emc2 原子核结合能：Q( ZmpNmn )m (Z, N) c2 /A Z核电荷数（

3、原子序数），N 中子数 AZN 原子量 Fe元素具有最大的结合能,结合能较小的原子核聚变成结合能较大的原子核会释放能量。,大学物理,(1)氢核聚变为氦核,4 1H 4He + Energy Energy(4mHmHe) c2(41.6710-24 6.64410-24) c2 410-5 erg 燃烧效率0.7%,大学物理,大学物理,氢核聚变为氦核 这是最简单的聚变反应 但是4个质子2个电子同时碰在一起太困难了。 质子之间的静电斥力和它们之间的距离的平方成反 比。它们越接近，斥力越大。 分几次完成是可行的。,大学物理,氢聚变是由分三个步骤完成： (Proton-Proton反应) 1，两个质子

4、碰撞并发生聚变，形成氢的同位素氘( ) 2，由氘和质子碰撞形成氦的同位素氦3（ ）。 3，两个氦3( )碰撞形成氦核，完成由氢核聚变为 氦核( )的反应。,大学物理,质子质子反应 条件：8106 K T 2107 K, M 1.5M 共6个质子参与，形成两个质子、一个氦核、两个中微子、两个正电子和两个光子。同时释放24.158电子伏特的能量。,大学物理,(2) 碳氮氧循环 (CNO cycle),T1.6107 K, M1.5M 12C + 1H 13N + 13N 13C + e+ +e 13C + 1H 14N + 14N + 1H 15O + 15O 15N + e+ +e 15N +

5、1H 12C + 4He,大学物理,（CNO）条件 1. 参加核反应的碳、氮、氧在反应前后并没 有改变，特别是氮、氧是中间产物，产生 了又消失。但一定要有碳存在； 2. 碳、氮、氧循环要求1500万的高温； 比PP反应要高。 3. 要有足够多的氢核(质子)，就可以成为稳 定的能源。,大学物理,在两种循环中，都是4个氢原子核聚变成1个氦 原子核，损失质量，放出能量。 在太阳内部，99的能源来自于质子质子反 应，1来自于碳循环。 爱丁顿的理论站住了脚，而两种氢原子核聚变 成氦原子核反应的发现者之一Bethe 获得了 1967年的诺贝尔物理奖。而 C.F. Weizsacker 却错过了Nobel

6、Prize for Physics.,大学物理,7.2 中微子失踪之谜,中微子是一种不带电、质量极小的亚原子粒子，它几乎不与任何物质发生相互作用。 由W. Pauli 于1930年提出，E. Fermi 为它取 了名字。 1953年在宇宙线种证实了其存在。1962年在加速器种观测到了踪迹。 由3种中微子。在标准模型中，中微子没有质量。 自然界的4种相互作用。25种基本粒子。,大学物理,太阳内部H核聚变释放能量的5%被中微子携带向外 传输，每秒大约有1015个中微子穿过我们的身 体。 目前接收到的太阳的辐射（光子）实际上产生于 105-107年前的太阳内部，而中微子则是在当前产 生的。 中微子非

7、常难于观测，因为它几乎不与其他物质相 互作用。,大学物理,太阳中微子的产生,H + H D + positron + neutrino H + H + electron D + neutrino D + H He3 + gamma ray He3 + He3 H + H + He4 He3 + He4 Be7 + gamma ray Be7 + positron Li7 + neutrino Li7 + H He4 + He4 Be7 + H B8 + gamma ray B8 Be8* + positron + neutrino Be8* He4 + He4,大学物理,太阳中微子的探测,原理

8、 (1) 中微子与C2Cl4（四氯乙烯）相互作用（几率非常小） 37Cl + 37Ar + e (2) 37Ar俘获内壳层电子 37Ar + e 37Cl + (3) 37Cl退激发释放光子,Homestake金矿中微子实验室,1967 R. Davis,大学物理,1.6 km,C2Cl4,中微子探测器,宇宙线,100,000 gal. tank,金矿,太阳中微子探测器,Super-Kamiokande Neutrino Observotary in Japan 小柴昌俊 1987,纯水：太阳中微子 穿过，可发出微弱 闪光。 地下1000米 5万顿纯水 1.12万个光电倍增 管。,大学物理,S

9、udbury Neutrino Observotary (SNO) in Canada （1999）,太阳中微子探测器,地下2000米 直径12米的球形容器 1000吨重水， 光电倍增管 可测 三种中微子,大学物理,太阳中微子失踪案,实际测量到的太阳中微子数目只有理论计算值的约1/3。 可能的原因： 太阳内部结构与成分与太阳标准模型差异 中微子物理中微子振荡 电子中微子、中微子和中微子。,大学物理,揭示中微子失踪之谜Measurement of the rate of e + dp + p + eQ.R. Ahmad et al. (178 persons),2001年，SNO的观测结果证实中

10、微子事实上没有失踪，只是在离开太阳后转化成中微子和中微子，躲过了此前的探测，这间接证明中微子具有质量。,大学物理,恒星不是生物，没有生命，但却有产生和 灭亡的经历。 2. 引力是恒星产生和灭亡的决定因素。 3. 引力是4种基本相互作用之一。,7.3 星云孕育恒星,大学物理,1. 天文观测表明，年轻恒星几乎总是处于星际云内 或附近,可以推断，恒星是在星际云中产生的。 2.金斯质量 理论研究表明，并非所有的星际云中都能 形成恒星。英国天文学家金斯得出 , 在一定的 温度和物质密度下， 存在一个临界质量，只有 当星际云的质量大于这个临界质量时，星际云才 有可能在自身内部的万有引力作用下发生收缩， 并

11、进一步形成恒星。这个临界质量称为金斯质量。,大学物理,金斯质量的具体数值与星际云的温度以及其中的物 质密度有关。温度越高 , 金斯质量越大 , 物质密度越高 , 则金斯质量越小。 只有那些温度较低、密度较高的星际云 , 才有可 能达到金斯质量。这种星际云主要是分子云 , 直 径可以达到 50 至 500 光 年 , 质量为 10 万至 100 万太阳质量。 分子云内主要的成分是氢分子，还有氢原子、氦原 子以及其他分子和尘埃。温度很低 ,不超过 10K 呈现纤维,团块、稠密核的结构。 稠密核的直径为0.1光年到几光年,相应的质量小的 为1至10太阳质量,大的可以有100至10000 太阳质 量

12、, 甚至更大。,大学物理,这样的分子云 , 要能够形成恒星 , 还必须有某种扰动使它碎裂、收缩。这种原因可以是分子云经过银河系旋臂时受到旋臂的引力冲击, 或者受到由于邻近的超新星爆发而在星际物质中产生的激波的冲击 , 或者分子云相互之间发生碰撞。 分子云内某些局部区域因冲击或碰撞而变密 , 于是金斯质量减小 , 特别是分子云中的稠密核 , 将发生进一步的分裂和引力收缩 , 出现了大量具有一颗恒星那么大质量的云团。每个云团以后的演变 , 一般都是独立的，一颗颗恒星就由这些云团继续收缩而形成。,大学物理,一个云团是怎样演变成一颗恒星的。 这个云团一开始仍然几乎是透明的，收缩的时候, 引力势能转变成

13、热能,但热能随即全部辐射出去, 所以温度并不升高,云团内气体的压力与引力相比可以忽略不计, 下落的气体按照自由落体定律速度越来越快。在天文学上称之为“坍缩”。 外面的气体下落到云团的核心处,核心处的物质密度迅速增大,气体变得不透明起来,温度急骤升高 , 向外的压力也随之升高,达到了可以与引力抗衡的状态。这时核心外面的气体仍然以自由落体下落 , 但核心处缓慢地收缩 , 温度达到几百开。达到这种状态的云团 , 开始发出红外线 , 成为一颗红外天体 , 称为原恒星。,大学物理,原恒星进一步收缩,温度越来越高,压力也越来越大, 当温度达到二三千开时 , 压力与引力基本平衡 , 收缩就大大减慢,转入准静

14、态时期,即进入慢收缩阶段。此时,原恒星发出可见光,成为主序前恒星。 原恒星核心温度达到几百万K时 ,氘、锂、铍和硼的原子核与质子发生核反应变成氦 , 但很快耗尽 , 不能提供大量而持久的能量。 当恒星核心温度达到1000万K时,氢核聚变成氦核的反应开始并持续进行,核反应成为主要的能量,能稳定地提供能量, 压力与引力达到平衡, 于是收缩停止, 处于平衡状态。此时, 恒星成为主序星。,大学物理,大学物理,人马座中的礁湖星云（M8），其中有一个星团正在形成。新形成的恒星发射出紫外辐射，激发星云的气体，是星云发光。,大学物理,“老鹰星云”位于七千光年外的天蛇座的弥漫星云(M16)里的巨大分子云柱，孕育

15、着许多初生的恒星，发亮的地方表明有大质量的恒星在形成。(HST),大学物理,恒星在分子云中形成,大学物理,是一个发光星云，也是恒星的诞生地。它位于人马座的银河系的邻近星系NGC6822。(HST),大学物理,这个位于大麦哲伦云的球状星团R136周围的星云中，诞生了大批的巨型恒星。(HST),大学物理,在赫罗图上, 原恒星出现在赫罗图的右下方。在慢收缩阶段的初期, 表面温度虽然还很低 , 但体积大, 随着温度升高, 亮度升高, 在赫罗图上由下而上移动。 在进入慢收缩阶段后, 表面温度暂停升高, 但体积继续缩小, 因而亮度随之下降, 于是在赫罗图上由上而下移动。 当氢聚变为氦的核反应开始后, 表面

16、温度升高, 于是在赫罗图上向左移动, 最后到达主星序, 成为主序星。,大学物理,质量不同的恒星,慢收缩阶段的时间长短不同, 质量越小,历时越长。 0.2太阳质量的恒星,慢收缩的时间长达17亿年； 1 太阳质量的恒星,慢收缩的时间约7500万年； 15太阳质量的恒星, 慢收缩的时间只有 6万年。 质量小于 O.08 太阳质量的恒星,永远也达不到核 反应开始所需要的温度,它们将一直处在慢收缩阶 段, 靠转化引力势能发出很弱的红光,这类恒星称 为褐矮星。,大学物理,质量不同的恒星 , 演化的速度与路径也不同 , 进驻赫罗图上主星序不同的位置： 大质量恒星, 内部的压力和温度高, 产生核反应的中心区大, 参加核反应的物质多, 产生的能量多, 所