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1、East China Normal University,第二章 地球的宇宙环境,第三节 恒星和星系 宇宙的物质存在形式： 聚集态 ：各类星体，如恒星、行星、流星 2.弥散态： 星云，即云雾状天体 3.稀薄物质：弥散在星际空间中，为星际物质,第三节 恒星和星系 201恒星 一、 恒星及其自行 1.定义：由炽热气体组成的，能够自身发光的球形或类似球形的天体 温度高 发光 球形 这种特点归因于：质量大 M=1.9891030千克=33万倍地球质量,2.恒星距离：遥远,最近的恒星：半人马座（南门二）：4.22光年 1光年=9.51012公里 天文单位：日地平均距离 光年 秒差距=3.22光年,Eas
2、t China Normal University,3.恒星的运动 恒星空间速度的两个分量：视向速度和切向速度 自行：单位时间内，恒星沿观测者垂直方向所移动的距离对观测者所张开的角度,恒星自行 恒星的自行速度，一般都小于每年0.1，迄今只发现有400余颗恒星的自行超过每年1。,图2-2 北斗七星的自行及形状变化,East China Normal University,East China Normal University,二、恒星的发光和光谱 恒星的发光：温度高 恒星演化史上某个阶段的现象； 要有巨大的质量。 恒星的光谱 恒星的光谱反映恒星温度的高低； 光谱中的吸收线和发射线反映恒星化学组
3、成(化学组成大同小异,主要成分是氢)。,连续光谱：炽热固体、液体和炽热高压下的气体物质发出的光分解，发出连成一片的七色连续光谱 发射光谱：处于低压状态下的炽热气体，形成的是发射光谱，它只有若干条明亮的发射谱线 吸收光谱：高压下炽热物体所发出的光，如果通过压力、温度都比光源低的气体，则形成的吸收光谱，就会在连续谱线背景下增加若干条暗线,恒星的光谱型,East China Normal University,三、 多普勒效应 四、 恒星亮度和光度 恒星的亮度：恒星的明暗程度 影响因素：光度大小，距离 恒星的光度：恒星的发光强度 影响因素：温度，体积,星等：视星等m和绝对星等M 视星等是亮度等级；绝
4、对星等是光度等级； 1.星等越小，亮度越大。 2.如果视星等成等差级数，则亮度成等比级数 3.一等星和六等星，星等相差5级，而亮度相差100倍,East China Normal University,连续几个星等的亮度成几何级数 若相邻两星等的亮度比率(级数的公比)为R，则 R5 =100 5lgR=2 lgR = 0.4 R=2.512 星等相差1等,恒星的亮度相差2.512倍 ； 星等以等差级数增大，亮度以等比级数递减； 太阳的亮度是一等星亮度的(2.512)27.74=1300亿倍。,E0=A/Rm0-1 E=A/Rm-1,East China Normal University,假设
5、有两个恒星,其亮度为E和E0，星等为m和m0。则： E/E0=2.512m-m0 （2-1） 两边取对数,且有 lg2.512=0.4，得： lgE0-lgE=0.4(m-m0 ) m-m0=2.5(lgE0- lgE) （2-2） 如果取零等星(m0=0)的亮度E0=1，则 m=-2.5 lgE （2-3） 普森公式，根据恒星的亮度E推算星等m。,图2-3 光源的视亮度与其距离的平方成反比，距离增加1倍，亮度便减为1/4,East China Normal University,天文学的距离单位 天文单位，光年，秒差距； 为了比较不同恒星的光度，必须移到同一 距离上，这个标准距离为10秒差距
6、，合32.6光年； 1秒差距206 265天文单位； 太阳是恒星世界的普通一员。,East China Normal University,East China Normal University,标准距离10秒差距下的恒星亮度称绝对亮度，其星等称绝对星等： 光源的视亮度与其距离平方成反比； 实际距离d、视星等m，10秒差距时的亮度Em和绝对星等M。,设EM表示绝对亮度，Em表示视亮度，由公式(2-1)得： EM/Em=2.512(m-M) 恒星亮度与距离平方成反比，如以秒差距为单位，则： EM/Em= d2/102 d2/102 =2.512(m-M),East China Normal U
7、niversity,两边取对数，且有lg2.512=0.4，则： 2lgd-2=0.4(m-M ) m-M =5lgd-5 M=m+5-5lgd （2-4） 只要测定恒星的绝对星等，便可求知该星的距离。,East China Normal University,East China Normal University,五、 恒星的多样性 单星，双星，星团 变星，新星，超新星 巨星，超巨星，白矮星 脉冲星，中子星,一、单星 双星 星团,1.单星：恒星单个存在的 2.双星：恒星成双成对的出现，在天球上相距很近的两个恒星，组成的两个成员，都叫子星，其中较亮的子星叫主星，另一个叫伴星，如天狼伴星，开阳
8、，辅,光学双星：两个子星在天球上的投影十分接近，而实际上相距非常遥远，相互之间没有物理联系，又名“假双星” 物理双星：不仅在天球上的位置比较接近，而且两个子星有物理上的联系，因为相互吸引而彼此绕转，是真正的双星 食双星：在物理双星中，若双星绕转的轨道平行于观测者的视线方向，主星和伴星之间会发生周期性的相互遮掩，从而发生亮度上的变化。如大陵五,3.星团,3.星团：许多恒星集中分布在一个较小的空间，彼此具有物理联系的恒星集团。 昴星团：七姐妹星团 疏散星团：指由数百颗至上千颗由较弱引力联系的恒星所组成的天体，直径一般不过数十光年。 球状星团：球形或扁球形，包含11000万颗恒星，星团中央十分密集。
9、,人马座球状星团,人马座球状星团,变星、新星、超新星,变星：有些恒星的光度在短时期内会发生明显的、特别是周期性的变化，这样的恒星叫变星。 脉动变星：恒星体积发生周期性膨胀或收缩引起的光度变化。 新星：亮度在短时间内（几小时至几天）突然剧增，然后缓慢减弱的一类变星。星等增加9个以上,变星,1975年天鹅座新星爆发前后,1992年天鹅座新星的爆发,超新星,爆发规模特别大的变星，其光度变幅超过17个星等，亮度可突然增强到原来的几千万倍甚至近万万倍。,1054年金牛座超新星爆发,“至和元年（1054年）五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。” 形成著名的蟹状星云 1731
10、年，一位英国天文爱好者在这个位置上观测到一个外形似螃蟹的天体，叫蟹状星云。,巨星、超巨星、白矮星,赫罗图：丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素几乎同时创制了恒星光谱型和光度的坐标关系图，也称光谱-光度图 横坐标：温度（光谱型） 纵坐标：光度（绝对星等）,光谱-光度图通常也叫赫罗图。它以恒星的光谱型（或温度）为横坐标，以它的光度（或绝对星等）为纵坐标，每颗恒星按照各自的光谱型和光度，在图上占有一定的位置。太阳位于主星序的中部，可见它是一颗很典型的恒星。,图2-4 光谱-光度图,主序星：大多数恒星分布在从左上方到右下方的一条窄带上，温度由高到低，光度由大到小，形成明显的序列，称为主星序，位于主星
11、序上的恒星称为主序星。温度越高，光度越大。太阳 巨星：大而冷的星，仙王座VV,是太阳的40亿倍 白矮星：小而热的星，天狼伴星，半径是太阳的0.75%,图2-5 恒星大小的比较,East China Normal University,脉冲星和中子星,脉冲星：20世纪60年代，天文学家发现了一种新型的变星，它有规律地发出射电脉冲讯号，周期很短，最长的为4.3秒，最短的只有0.0016秒，而且十分稳定，间隔误差非常小。,什么样的天体能如此快速而稳定的发射脉冲讯号？,1.恒星轨道运动 2.脉动 3.快速自转 中子星：由于恒星演化到完全，能量耗竭，若经引力塌缩，其剩余质量大于某一极值时，电子运动都不能
12、抗衡原子核吸引力，就继续塌缩，经逆衰变形成大量自由中子，致使恒星密度很大，体积很小，形成中子星。 中子星体积小，直径只有几十公里，密度10亿吨/立方厘米,脉冲星特点,1.发射出射电脉冲，周期短而且准确稳定， 2.密度大，质量相对于一般恒星，而半径小于地球， 3.能量大，一次脉冲的能量相当于全球全年用电量的1万万倍， 4.高温、高压，强磁场，快速自转。,六、 恒星的演化 现代天体物理学最大的成就之一就是基本上说明了恒星演化和元素演化两个重要问题。 发生 发展 衰亡 转化,East China Normal University,East China Normal University,恒星是由星
13、云凝聚而成。弥漫星云在自引力的作用下，收缩成比较密集的气体引力势能转化为热能，内部温度升高并辐射能量向赫罗图上某个主序位置移动。质量愈大，收缩愈快，达到主序的位置愈高（温度高，光度大）。,East China Normal University,恒星“移到”主序后，内部温度高到足以发生热核反应的程度热核反应代替引力收缩成为主要能源温度升高，热运动加快，恒星膨胀，排斥力足以同引力相抗衡恒星停止收缩，长期稳定依靠热核反应进行辐射。 一颗恒星在主序中的时间，占去其“生命” 的大半辈子；且在主序上逗留的时间，取决于其质量的大小质量愈大,引力愈强它必须维持较高的温度和较久的辐射功率以与引力收缩抗衡它的氢
14、燃料消耗更快，寿命更短。,East China Normal University,热核反应是在恒星的中心区域进行的，那里的氢核燃料最先燃尽，逐渐形成一个由氦组成的核，停止释放能量。氢燃料的逐渐枯竭，是恒星在结构上逐渐发生变化的前奏。 随着氦核的不断增大，其引力收缩急剧增强，并释放大量能量。结果，恒星的核心收缩（变得愈来愈致密和炽热），外层膨胀（温度降低而光度增大），成为一个非常巨大的具有“热”核的“冷”星。从而恒星离开主星序，进入红巨星区域生命的“晚年”。,East China Normal University,在红巨星阶段，恒星的演化速度大大加快。中心区域的温度和密度因收缩而继续升高，到
15、1亿摄氏度时开始进行由氦核聚为碳核的新一轮热核反应；氦烧完后，温度继续因收缩而升高，原子核再聚变产生更重的元素能量有限，到了“垂暮之年”，一旦核反应终止，对引力的抗衡全线崩溃自行坍塌。,East China Normal University,红巨星收缩时，核心部分收缩最猛烈，外部处在较弱的引力下。核心温度因猛烈收缩而急剧上升，由此掀起的热浪会把外层气壳抛掉，剩下一颗致密和炽热的白矮星以后逐渐变冷，变成又小又暗的黑矮星终其一生。,East China Normal University,并非所有恒星都经历如此“平静”的演化道路。 那些质量和体积特别巨大的恒星，演化的最后阶段会发生爆炸超新星爆发
16、。如留下“残骸”的质量足够大（1.43.2倍太阳质量），便会“一落千丈”地坍塌为中子星（于1967年发现，1978年发现了300颗以上）。,East China Normal University,恒星在核能耗尽后，如质量仍超过2倍的太阳质量，则平衡态不再存在，星体将无限收缩。连核力也将在引力作用前面低下头来，中子也会坍塌，形成所谓的“黑洞”。 目前没有密度大于1015克/厘米3的物质的实验数据，无法推测星体的具体结构，但根据理论可以推断：星体的半径将愈来愈小，密度将愈来愈大，终于达到临界点引力之大足以使一切粒子、包括光子，都不能外逸，因而谓之黑洞。,East China Normal University,星 系 一、 银河与银河系 银河：夏秋季节，无月的晴夜，人们在天空中看到一条淡云薄纱般的白色光带，天文
