天体与地球第三章恒星知识发现

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1、 第一节第一节第一节第一节 恒星的基本物理参量与赫罗图恒星的基本物理参量与赫罗图恒星的基本物理参量与赫罗图恒星的基本物理参量与赫罗图 一、恒星的基本物理参量一、恒星的基本物理参量一、恒星的基本物理参量一、恒星的基本物理参量 二、赫罗图二、赫罗图二、赫罗图二、赫罗图 第二节第二节第二节第二节 恒星的形成和演化恒星的形成和演化恒星的形成和演化恒星的形成和演化 一、恒星的形成一、恒星的形成一、恒星的形成一、恒星的形成 二、恒星的青壮年二、恒星的青壮年二、恒星的青壮年二、恒星的青壮年 三、恒星晚年的演化三、恒星晚年的演化三、恒星晚年的演化三、恒星晚年的演化 第三节第三节第三节第三节 恒星熔炉中元素的锻

2、造恒星熔炉中元素的锻造恒星熔炉中元素的锻造恒星熔炉中元素的锻造 一、宇宙元素的分布规律一、宇宙元素的分布规律一、宇宙元素的分布规律一、宇宙元素的分布规律 二、元素起源二、元素起源二、元素起源二、元素起源 第四节第四节第四节第四节 黑洞黑洞黑洞黑洞宇宙物质演化的终点与起点宇宙物质演化的终点与起点宇宙物质演化的终点与起点宇宙物质演化的终点与起点 一、黑洞的特征和结构一、黑洞的特征和结构一、黑洞的特征和结构一、黑洞的特征和结构 二、黑洞辐射（霍金辐射）二、黑洞辐射（霍金辐射）二、黑洞辐射（霍金辐射）二、黑洞辐射（霍金辐射） 三、找寻黑洞三、找寻黑洞三、找寻黑洞三、找寻黑洞 第三章第三章第三章第三章

3、恒恒恒恒 星星星星 1课堂优质由国际天文学家联盟由国际天文学家联盟19251925年认定并确定编号的星座共年认定并确定编号的星座共8888个个2课堂优质 第一节第一节 恒星的基本物理参量与赫罗图恒星的基本物理参量与赫罗图 一、恒星的基本物理参量一、恒星的基本物理参量 1. 恒星恒星 主要由等离子体的主要由等离子体的H和和He组成，内部进组成，内部进行热核聚变反应，能自行发光的球状天体。行热核聚变反应，能自行发光的球状天体。 最普通的恒星最普通的恒星-太阳。太阳。 最近恒星最近恒星-半人马座比邻星（半人马座比邻星（4.22光年）光年） 恒星不恒星不“恒恒”，仅是距离遥远，故名。，仅是距离遥远，故

4、名。 恒星的化学组成：恒星的化学组成：主要为主要为H、He（97 ）；次代恒星可含少量重元素：；次代恒星可含少量重元素：O、C、N、Ne、Si、Mg、S、Fe等（等（3 ）。）。恒星是宇宙能量循环、物质转化的主要场所恒星是宇宙能量循环、物质转化的主要场所3课堂优质 2恒星的基本物理参量恒星的基本物理参量 （1）亮度和光度）亮度和光度 亮度（亮度（视星等视星等m）恒星真正发光强度）恒星真正发光强度 地球上测定的星等称视星等地球上测定的星等称视星等m， 视星等视星等m = -2.5LgE； E为亮度为亮度常见天体的视星等：太阳常见天体的视星等：太阳-26.7；满月；满月-12.7 天狼星天狼星-1

5、.46；织女星；织女星0 光度（光度（绝对星等绝对星等M） 恒星真正发光强度恒星真正发光强度 （将天体换算成距地球等距离：（将天体换算成距地球等距离：10秒差距）秒差距） 绝对星等与视星等的关系式：绝对星等与视星等的关系式： M = m + 5 - 5Lgr r = 秒差距秒差距4课堂优质恒星的距离和亮度恒星的距离和亮度5课堂优质视视星星等等与与绝绝对对星星等等6课堂优质7课堂优质 恒星光度（体积）分级：恒星光度（体积）分级： . 超巨星超巨星 . 亮巨星亮巨星 . 正常巨星正常巨星 . 亚巨星亚巨星 . 矮星（主序星）矮星（主序星） . 亚矮星亚矮星 . 白矮星白矮星 恒星的光度与体积有关：

6、温度相同恒星的光度与体积有关：温度相同的恒星，体积越大，总辐射流量（光度）的恒星，体积越大，总辐射流量（光度）越大，绝对星等越小。越大，绝对星等越小。8课堂优质 （2）表面温度与恒星的光谱分类）表面温度与恒星的光谱分类 表面温度（有效温度）：表面温度（有效温度）：40000-3000K 哈佛光谱分类哈佛光谱分类 光谱型光谱型 ： O、B、A、F、G、K、M 次型次型 ： 每个谱型可分每个谱型可分10个次型个次型 恒星光谱二元分类恒星光谱二元分类 哈佛光谱分类哈佛光谱分类 + 光度级光度级 太阳太阳G2V ；黄色次二型；黄色次二型；5770K；矮星矮星 织女（天琴座织女（天琴座星）星）AOV：白

7、色：白色0次型；次型； 温度温度10000K； 矮星矮星 参宿四参宿四 （猎户座（猎户座星）星）M2I ：红色：红色2次型；次型； 温度温度3400K；超巨星；超巨星9课堂优质恒恒星星光光谱谱型型10课堂优质 （3）恒星的直径）恒星的直径 直径范围：直径范围： 几公里几公里108公里公里 （4）恒星的质量）恒星的质量 质量范围：质量范围： 0.1 几十几十M日日 太阳质量太阳质量 ： M日日 1.989 1033克克 （2亿亿亿吨亿亿亿吨） （5）恒星的密度）恒星的密度 密度范围：密度范围：10-9克克/厘米厘米3 10 15克克/厘米厘米3 （红超巨星）（红超巨星） （中子星）（中子星） 1

8、1课堂优质恒恒星星的的体体积积与与密密度度12课堂优质 （6）距离）距离 三角视差法测距三角视差法测距 造父变星的周光关系测距造父变星的周光关系测距 a. 造父变星：造父变星： 是高光度周期性脉动变星，光度曲线和是高光度周期性脉动变星，光度曲线和光度周期非常稳定，可作为宇宙的量天尺光度周期非常稳定，可作为宇宙的量天尺 -标准烛光标准烛光。 b. 造父变星的周光关系：造父变星的周光关系： 光度周期（天）与绝对星等之间呈线性光度周期（天）与绝对星等之间呈线性函数关系。函数关系。13课堂优质三角视差法测距三角视差法测距14课堂优质 c. 测距原理：测距原理： 将遥远星系内的造父变星与银河系内将遥远星

9、系内的造父变星与银河系内的造父变星相互比较。的造父变星相互比较。 i在一个星系中找出一个造父变星在一个星系中找出一个造父变星 ii. 观测确定它的亮度变化周期，由周观测确定它的亮度变化周期，由周光关系推算出绝对星等光关系推算出绝对星等M III. 根据观测亮度推算出视星等根据观测亮度推算出视星等m IV. 据公式据公式M = m + 5 - 5Lgr ，求距离，求距离r I 型超新星型超新星-新的标准烛光新的标准烛光 将遥远星系内的将遥远星系内的I 型超新星型超新星与银河与银河系内的系内的I 型超新星型超新星相互比较。相互比较。15课堂优质量量天天尺尺造造父父变变星星16课堂优质造父变星的周光

10、关系造父变星的周光关系17课堂优质 二、赫二、赫 罗罗 图图 1. 赫罗图：赫罗图：表示恒星的光谱型（表面温度）表示恒星的光谱型（表面温度） 与光度（体积）的关系图与光度（体积）的关系图 赫茨普龙赫茨普龙罗素罗素 H - R 2. 恒星在赫罗图内分布规律恒星在赫罗图内分布规律（1 ）主序星）主序星：分布在主星序内的正常恒星：分布在主星序内的正常恒星 主星序：左上方主星序：左上方-右下方的对角线带内，右下方的对角线带内，集中了集中了90%恒星。恒星。 主序星在主序内的分布规律：按质量由大主序星在主序内的分布规律：按质量由大到小，由左上方到右下方顺序排列。到小，由左上方到右下方顺序排列。 主序星的

11、质光关系主序星的质光关系 ：光度光度质量质量3.5质量越大，恒星越亮质量越大，恒星越亮；密度越低；寿命越短密度越低；寿命越短18课堂优质赫赫 罗罗图图19课堂优质赫赫罗罗图图和和它它的的发发明明者者20课堂优质主序星的排序与寿命主序星的排序与寿命21课堂优质 （2）红巨星与红超巨星）红巨星与红超巨星 分布在赫罗图右上方分布在赫罗图右上方 红巨星红巨星 光谱型为光谱型为M，3000 4000K， 红色；体积大，光度红色；体积大，光度 100太阳太阳 红超巨星红超巨星 光谱型为光谱型为M， 3000 4000K， 红色；红色； 体积更大，光度体积更大，光度 1000太阳太阳 红巨星与红超巨星都是演

12、化晚期的恒星。红巨星与红超巨星都是演化晚期的恒星。 （3）白矮星）白矮星 分布在赫罗图的左下方。分布在赫罗图的左下方。 光谱型为光谱型为A, 1 2万万K，白色；体积很小，白色；体积很小 白矮星是主序星经红巨星、红超巨星爆白矮星是主序星经红巨星、红超巨星爆 发后遗留的致密内核。发后遗留的致密内核。22课堂优质赫赫 罗罗 图图23课堂优质赫赫 罗罗 图图24课堂优质 第二节第二节 恒星的形成和演化恒星的形成和演化 一、恒星的形成一、恒星的形成 1. 恒星的孕育恒星的孕育（1）物质基础：气体）物质基础：气体H、He构成的弥漫星云构成的弥漫星云 恒星的产房恒星的产房-老鹰星座老鹰星座石笋状星云石笋状

13、星云（2）收缩临界质量）收缩临界质量 星云星云 103 104M日日（3）星云收缩的激发因素）星云收缩的激发因素 超新星爆发超新星爆发； 进入星系旋臂区域进入星系旋臂区域（4）星云演化结果）星云演化结果 旋转慢旋转慢单恒星单恒星 旋转快旋转快双恒星双恒星（多恒星）（多恒星） 旋转中等，核心与包裹星云分离旋转中等，核心与包裹星云分离 行星系统行星系统25课堂优质蟹蟹状状星星云云26课堂优质马头星云马头星云27课堂优质礁湖星云礁湖星云28课堂优质恒星产房恒星产房29课堂优质太太阳阳们们的的摇摇篮篮-冷冷的的暗暗星星云云30课堂优质46亿年前太阳系的诞生亿年前太阳系的诞生31课堂优质双恒星双恒星32

14、课堂优质 2. 恒星的诞生恒星的诞生 （1）星云快速引力收缩阶段）星云快速引力收缩阶段 星云收缩：星云收缩：10-18克克/厘米厘米3 形成凝聚核，形成凝聚核，10 -13克克/厘米厘米3 核心核心1500K ，H2H电离电离H+、e- 原恒星增辉：核心向外辐射光，原恒星增辉：核心向外辐射光， -原恒星形成，原恒星形成， 3000K （2）原恒星演化阶段）原恒星演化阶段 a. 慢引力收缩慢引力收缩(林忠四朗期林忠四朗期)：对流输运能量。：对流输运能量。 b. 进入主序进入主序星阶段星阶段 ：辐射输运能量。：辐射输运能量。 核心温度核心温度1千万千万K-热核聚变的临界温度；热核聚变的临界温度；

15、恒星动态平衡：恒星动态平衡： 释能释能 = 引力引力 33课堂优质恒星太阳的形成恒星太阳的形成34课堂优质太太阳阳系系的的诞诞生生35课堂优质 二、恒星的青壮年二、恒星的青壮年 （主序星阶段）（主序星阶段） 1.恒星的能源恒星的能源热核聚变热核聚变（1）热核聚变原理（贝特理论）热核聚变原理（贝特理论） 41H 4HeH核核 1.00782质量单位质量单位 He核核 4.002603质量单位质量单位 4H核核 - He核核 = 0.0287质量单位质量单位 1克氢聚变产能克氢聚变产能6.5 1011焦焦= 20万吨煤热量万吨煤热量 太阳每秒太阳每秒400万吨质量转化为能量万吨质量转化为能量-太阳

16、寿命太阳寿命100亿年亿年36课堂优质 氢热核聚变有两种方式：氢热核聚变有两种方式： P-P反应（质子反应（质子-质子反应）质子反应） 1H + 1H2D + e+ + V （1） 2D+1H 3He （2） 3He + 3He 4He + 21H （3） （1）（3）净结果：）净结果： 41H 4He + 2e+ + 2V 37课堂优质质子质子-质子反应质子反应38课堂优质热核聚变原理（贝特理论）热核聚变原理（贝特理论） 41H 4 He39课堂优质 碳氧氮（碳氧氮（CNO）循环反应）循环反应 12C + 1H 13N （1） 13N 13C + e+ + V （2） 13C + 1H 14

17、N （3） 14N + 1H 15O （4） 15O 15N + e+ + V （5） 15N + 1H 12C + 4He （6） （1）（6）净结果：）净结果： 41H 4He + 2e+ + 2V 上述反应中均产生中微子上述反应中均产生中微子V 太阳核物理研究中的中微子失踪案太阳核物理研究中的中微子失踪案40课堂优质碳碳氮氮氧氧循循环环反反应应41课堂优质 2.恒星在主序星阶段停留的时间恒星在主序星阶段停留的时间 -恒星的寿命恒星的寿命 （1）离开主序的条件：当聚变）离开主序的条件：当聚变He占占12%时时 （2）主序星的寿命：）主序星的寿命： 根据质光关系，光度与质量根据质光关系，光度

18、与质量3.5 成正比成正比 寿命与质量寿命与质量3.5 成反比成反比 a. 早型星（早型星（ O、B型）：型）： 大质量、高光度、低寿命大质量、高光度、低寿命 b. 晚型星（晚型星（M、K型）：型）： 小质量、低光度、长寿命小质量、低光度、长寿命 c. 中间型星中间型星 F、G型：型： 介于上述二者之间。介于上述二者之间。42课堂优质 三、恒星晚年的演化三、恒星晚年的演化-脱离主星序脱离主星序 离开主序星的物理变化离开主序星的物理变化-镜像法则：镜像法则： 中心核收缩中心核收缩-氢燃烧生成氦核，氢燃烧生成氦核， 粒子数减少，压力降低。粒子数减少，压力降低。 外层膨胀外层膨胀-中心核收缩的结果，

19、导致温中心核收缩的结果，导致温 度升高，密度增大，热核反度升高，密度增大，热核反 应更加剧烈，产生过多能量，应更加剧烈，产生过多能量， 向外辐射、膨胀。向外辐射、膨胀。 决定恒星晚年演化进程和结局的决定恒星晚年演化进程和结局的 主要因素是：主要因素是：质量质量43课堂优质镜像法则镜像法则44课堂优质 1. 中等质量恒星（中等质量恒星（82.2M日）的演化日）的演化 -7M日日恒星为例：恒星为例： 主序星主序星 停留在主星序停留在主星序2600万年万年 红巨星红巨星 氦核的形成并燃烧氦核的形成并燃烧 。 氦热核聚变的临界温度：氦热核聚变的临界温度：1亿亿K 脉动脉动造父变星造父变星 红超巨星红超

20、巨星 氦层氦层 2亿亿 K，外层氢，外层氢1亿亿K， 星体全部燃烧，迅速释放能量。星体全部燃烧，迅速释放能量。 -红超巨星爆炸红超巨星爆炸 残留核心（残留核心（C、O、Ne） 行星状星云行星状星云 白矮星（白矮星（ 白矮星质量上限：白矮星质量上限： 1.44M日日 - 昌德拉塞卡极限昌德拉塞卡极限45课堂优质 2. 小质量恒星（小质量恒星（0.5 2.2M日日）的演化）的演化 主序星主序星 几十亿几十亿几千亿年几千亿年 红巨星红巨星 a. 氦核心区电子简并氦核心区电子简并 电子简并：一定温度下，热运动电子均电子简并：一定温度下，热运动电子均 占据满位置占据满位置，具极高密度。具极高密度。 b.

21、 氦闪氦闪: 爆炸性氦燃烧爆炸性氦燃烧,几秒钟完成几秒钟完成 变星变星 不稳定变星不稳定变星 红超巨星红超巨星 爆炸爆炸 CONe核：核：白矮星白矮星 行星状星云行星状星云 白矮星白矮星46课堂优质双双层层太太阳阳47课堂优质太太阳阳的的晚晚年年48课堂优质太太阳阳在在赫赫罗罗图图上上的的演演化化轨轨迹迹49课堂优质太阳的一生太阳的一生50课堂优质白白矮矮星星51课堂优质太太阳阳的的晚晚年年 -白白矮矮星星和和行行星星状状星星云云52课堂优质 3. 极小质量恒星（极小质量恒星（0.5M日日）的演化）的演化（1）0.5 0.07M日日恒星的演化恒星的演化 主序星主序星 几万亿年几万亿年 白矮星白

22、矮星 核心区核心区8千万千万K，氦不燃烧，氦不燃烧 核核电子简并收缩形成电子简并收缩形成He白矮星白矮星 外层外层H行星状星云行星状星云（2）0.07M日日恒星的演化恒星的演化 为为褐矮星褐矮星，无热核聚变，仅有，无热核聚变，仅有2H捕获捕获 质子反应，几百万年质子反应，几百万年2H耗尽，星体收缩，耗尽，星体收缩， 呈简并固（液）态。释热后变成呈简并固（液）态。释热后变成黑矮星黑矮星。53课堂优质 4超大质量恒星（超大质量恒星（ 8 M日日）的演化）的演化 -超新星、脉冲星与中子星超新星、脉冲星与中子星 （1）超新星（）超新星（ 型超新星）型超新星） 超新星：恒星中爆发规模最为强烈的变星，超新

23、星：恒星中爆发规模最为强烈的变星， 是恒星演化晚期产物。是恒星演化晚期产物。 超新星爆发：光度超新星爆发：光度1071010太阳（星系级）太阳（星系级） 释能释能10471052尔格（太阳百亿年）尔格（太阳百亿年） 两类超新星：两类超新星：型超新星型超新星（由星族（由星族而来）而来） 不含重元素，不含重元素，8M日日 型超新星型超新星（由星族（由星族而来）而来） 含重元素，含重元素，38 M日日 54课堂优质 超新星及蟹状星云的记载超新星及蟹状星云的记载： a.1054年年宋会要辑稿宋会要辑稿记载：记载： “宋嘉佑宋嘉佑 元年三月司天监言客星没，元年三月司天监言客星没， 客去之兆也，初至和元年

24、五月晨出东方，客去之兆也，初至和元年五月晨出东方， 守天关；昼见守天关；昼见 如太白，芒角四出，色赤如太白，芒角四出，色赤 白，凡见二十三日。白，凡见二十三日。” b.1731年，英人发现金牛座年，英人发现金牛座蟹状星云蟹状星云； c.1921年，邓肯发现蟹状星云的膨胀年，邓肯发现蟹状星云的膨胀 -已膨胀已膨胀900年；年； d.1928年，哈勃认为：年，哈勃认为： 蟹状星云蟹状星云1054年超新星爆发年超新星爆发55课堂优质蟹蟹状状星星云云56课堂优质1975年天鹅座超新星爆发前年天鹅座超新星爆发前57课堂优质1975年天鹅座超新星爆发后年天鹅座超新星爆发后58课堂优质1987A 超超 新新

25、 星星 爆爆 发发 前前 后后59课堂优质1987A1987A 超超超超 新新新新 星星星星 爆爆爆爆 发发发发 后后后后 的的的的 行行行行 星星星星 状状状状 星星星星 云云云云60课堂优质 型超新星爆发机制型超新星爆发机制 a.轮番核燃烧轮番核燃烧（元葱头结构）：（元葱头结构）： H燃烧燃烧He， H燃烧形成收缩核燃烧形成收缩核 He燃烧燃烧C、O，核心，核心1.9亿亿K， 1100克克/厘米厘米3 C燃烧燃烧Ne、Mg、Na，核心，核心7.4亿亿K， 24104克克/厘米厘米3 Ne燃烧燃烧Si，核心，核心16亿亿K， 740104克克/厘米厘米3 O燃烧燃烧 Si燃烧燃烧 56Fe核

26、心，核心， 呆滞核，呆滞核，50亿亿K61课堂优质超超新新星星洋洋葱葱头头62课堂优质 每一轮轮核聚变的产物都是下一轮每一轮轮核聚变的产物都是下一轮 核燃烧的原材料，核燃烧的原材料，直到直到56Fe为止！为止！ b.原子核裂解，坍缩：原子核裂解，坍缩： 温度温度100亿亿K，1010克克/厘米厘米3 56Fe134He+4n-124.4MeV 4He2p+2n-28.3MeV c.中子化中子化巨大原子核巨大原子核中子星中子星 p+e-n+Ve 中子间距中子间距10-13厘米，密度厘米，密度1015克克/厘米厘米3 中子化过程释放大量中微子爆发！中子化过程释放大量中微子爆发！ -中微子天文学中微

27、子天文学63课堂优质64课堂优质65课堂优质日日本本神神冈冈中中微微子子探探测测装装置置 SN1987A爆发时爆发时记录了记录了24个中微子个中微子66课堂优质震震荡荡的的中中微微子子67课堂优质型型超超新新星星II68课堂优质 （2）脉冲星）脉冲星 脉冲星脉冲星-射电天天学巨大发现射电天天学巨大发现 1976年剑桥卡文迪许实验室休伊什和贝尔年剑桥卡文迪许实验室休伊什和贝尔 发现脉冲射电源，间隔发现脉冲射电源，间隔1.3373秒，持续秒，持续0.025 秒，秒，“小绿人小绿人” 脉冲源脉冲源脉冲星脉冲星 脉冲星模型脉冲星模型-极高速旋转的致密天体极高速旋转的致密天体 （3）中子星）中子星 中子

28、星的预言和发现中子星的预言和发现 a.1923年巴德和兹威基预言中子星存在：年巴德和兹威基预言中子星存在： 死亡恒星质量死亡恒星质量1.44M日日（昌氏极限）（昌氏极限）时，时， 将成为由将成为由1052中子组成的天体。中子组成的天体。 69课堂优质脉冲星的发现脉冲星的发现70课堂优质脉脉冲冲星星与与中中子子星星71课堂优质 b.1939年奥本海默从理论上证实中子星年奥本海默从理论上证实中子星 存在，提出中子星质量上限存在，提出中子星质量上限：3.5 M日日 -奥本海默极限。奥本海默极限。 c.1968年，蟹状星云中心年，蟹状星云中心脉冲星的发现，脉脉冲星的发现，脉 冲周期冲周期0.0033秒

29、秒 中子星模型中子星模型 中子星：由中子简并压力约束的天体。中子星：由中子简并压力约束的天体。 密度密度10131015克克/厘米厘米3 中子星模型：铁壳中子星模型：铁壳 结晶幔结晶幔 超流中子液超流中子液 核核72课堂优质中中子子星星模模型型73课堂优质脉冲星模型脉冲星模型74课堂优质蟹状星云中的脉冲星蟹状星云中的脉冲星( (中子星中子星) )75课堂优质 （4）型超新星型超新星 型超新星：由半接双星中的白矮星演型超新星：由半接双星中的白矮星演化而成的超新星。含重元素，属于星族化而成的超新星。含重元素，属于星族。 型超新星爆发机制型超新星爆发机制 a.白矮星为电子简并态：由白矮星为电子简并态

30、：由C构成构成 b.白矮星吸收同伴红巨星物质，形成白矮星吸收同伴红巨星物质，形成H壳壳 c.当白矮星质量当白矮星质量1.44M日日时时，压缩压缩H壳升壳升 温至温至1000万万K时，时，H燃烧燃烧He d.H燃烧迅速将星体加热至燃烧迅速将星体加热至1亿亿K，引起电，引起电子简并核心子简并核心He、C爆炸性燃烧：爆炸性燃烧：氦闪、碳闪。氦闪、碳闪。 e.爆炸后，质量爆炸后，质量1.44M日日，仍为白矮星，仍为白矮星 型超新星爆发型超新星爆发-“新标准烛光新标准烛光”76课堂优质双星双星天鹅座天鹅座X双星双星77课堂优质78课堂优质型型超超新新星星I79课堂优质80课堂优质天狼星天狼星B B 在赫

31、罗图上的演化轨迹在赫罗图上的演化轨迹81课堂优质不同质量恒星的演化不同质量恒星的演化82课堂优质 第三节第三节 恒星熔炉中元素的烹制恒星熔炉中元素的烹制 -B2FH理论理论 一、宇宙元素丰度一、宇宙元素丰度 1956年年 修斯、尤里发表修斯、尤里发表宇宙元素表宇宙元素表，总结宇宙中元素的分布规律：总结宇宙中元素的分布规律： H、He占占97； 重元素含量少于重元素含量少于2；4100（原子量）（原子量）元素丰度呈指数减少；元素丰度呈指数减少； D、Li、Be、B远少于相邻元素；远少于相邻元素； 83课堂优质84课堂优质宇宙元素分布规律宇宙元素分布规律85课堂优质 16O、20Ne40Ca等等4

32、N元素丰度元素丰度 大于相邻元素；大于相邻元素； 偶数元素丰度大于奇数元素；偶数元素丰度大于奇数元素； 56Fe丰度大，（百倍峰值）；丰度大，（百倍峰值）； 比比Fe重的元素丰度差不多。重的元素丰度差不多。 86课堂优质 二、二、重元素的烹制重元素的烹制 重元素起源重元素起源-B2FH理论理论 B2 -伯比奇夫妇伯比奇夫妇 F-福勒福勒 H-霍伊尔霍伊尔 1.重离子热核反应重离子热核反应-形成形成56Fe之前所有元素之前所有元素 过程过程（He+：粒子）粒子） 4N核素核素 2：4He+4He8Be+ - 95KeV （1亿亿K） 3：8He+4He12C+ 7.4KeV 87课堂优质 4：1

33、6O（、 ） 5：20Ne（、 ） 6：24Mg（、 ） 109K（10亿度）亿度） 14: 56Fe e过程过程4N核素的相邻元素核素的相邻元素 6：12C+12C23Na+p 7108K（7亿亿K） 8：16O16O31Pp 2109K 31Sn88课堂优质 2.俘俘获获中子反中子反应应-形成形成56Fe之后所有元素之后所有元素 (Z, A) (Z, A+1) (Z+1, A+2) (Z, A)： 56Fe Z：原子序数（：原子序数（质质子数）子数） A：质质量数（核子数量数（核子数n+p） 大大质质量恒星演化晚期的量恒星演化晚期的超新星爆超新星爆发发提供提供 强强大中子源，大中子源， 5

34、6Fe的原子核在瞬的原子核在瞬间间完成了完成了 俘俘获获中子，制造重元素的中子，制造重元素的过过程！程！n n(np)- -89课堂优质现代炼金术现代炼金术90课堂优质91课堂优质富富勒勒球球C6092课堂优质克克罗罗托托与与富富勒勒烯烯93课堂优质94课堂优质95课堂优质 总结：总结：元素的起源元素的起源-原子核演化原子核演化 .在宇宙最初的三分钟在宇宙最初的三分钟 原初核核合成原初核核合成:合成合成 H、He 和极少量和极少量 Li。 .在千千亿亿颗恒星的熔炉中在千千亿亿颗恒星的熔炉中 He元素在不断增加（元素在不断增加（贝特理论贝特理论）；）； 重元素的烹制（重元素的烹制（B2FH理论理

35、论）：）：重离子热核反应重离子热核反应-形成形成56Fe之前所有元素之前所有元素 过程（过程（ 粒子：粒子：He+） 4N核素核素 e过程过程4N核素的相邻元素核素的相邻元素 俘获中子反应俘获中子反应-形成形成56Fe之后所有元素之后所有元素96课堂优质 宇宙中最重要的化学元素宇宙中最重要的化学元素 . H. H、HeHe：恒星的基本物质；：恒星的基本物质； 化学元素之源。化学元素之源。 . Fe. Fe：类地行星的核心；：类地行星的核心； SiSi、O O：类地行星的幔、壳。类地行星的幔、壳。 . C. C：最重要的生命元素：最重要的生命元素 -“碳基生命碳基生命”。 . C. C、H H、

36、O O、N N：四大生命元素。：四大生命元素。97课堂优质 第四节第四节 黑洞黑洞-宇宙物质演化的终点与起点宇宙物质演化的终点与起点 一、黑洞的特征和结构一、黑洞的特征和结构 1.黑洞黑洞 1783，迈克尔：不可见天体的质量足够，迈克尔：不可见天体的质量足够大、体积足够小、将使逃逸速度光速大、体积足够小、将使逃逸速度光速 1798，拉普拉斯：如果吸引使光都无法，拉普拉斯：如果吸引使光都无法发出发出-不可见天体不可见天体 1916，史瓦西建立广义相对论引力场解，史瓦西建立广义相对论引力场解 -史瓦西度规史瓦西度规S： 大质量恒星塌缩使周围引力场增强，空大质量恒星塌缩使周围引力场增强，空间弯曲，光

37、线偏转，当恒星半径达到：间弯曲，光线偏转，当恒星半径达到：S=2MG/C2，光线将无法逃逸。光线将无法逃逸。98课堂优质 1939，奥本海默提出奥氏极限，认为：，奥本海默提出奥氏极限，认为： 如果超过如果超过M日日= =3.5时，中子星将继续坍缩，时，中子星将继续坍缩， 成为体积为成为体积为0，密度，密度的点。的点。 1967，惠勒，命名：黑洞，惠勒，命名：黑洞 黑洞定义：黑洞定义：对于一定质量的天体，如果对于一定质量的天体，如果它的半径小于它的半径小于S=2MG/C2（史瓦西半径），（史瓦西半径），将使它的逃逸速度超过光速，这个天体就将将使它的逃逸速度超过光速，这个天体就将成为黑洞。成为黑洞

38、。 太阳黑洞：太阳黑洞：S=3000m 地球黑洞：地球黑洞：S=0.85m99课堂优质史瓦西半径史瓦西半径100课堂优质 2.黑洞结构黑洞结构 以以S为半径的事件视界包围着一个奇点。为半径的事件视界包围着一个奇点。 事件视界：事件视界：光不可能逃出的区域边界光不可能逃出的区域边界 奇点奇点：黑洞中心，具有无穷大的密度、：黑洞中心，具有无穷大的密度、 压力；无穷大的时、空曲率。压力；无穷大的时、空曲率。 3.黑洞及其附近的时、空性质黑洞及其附近的时、空性质 黑洞附近的黑洞附近的时、空迟滞时、空迟滞 根据广义相对论，黑洞周围空间极度弯曲，根据广义相对论，黑洞周围空间极度弯曲， 时间极度变慢。时间极

39、度变慢。 黑洞事件视界内的黑洞事件视界内的时、空互换时、空互换 黑洞事件视界内时间、空间，统一为径向黑洞事件视界内时间、空间，统一为径向 坐标，坐标，=0 时为时间、空间终结。时为时间、空间终结。101课堂优质黑洞的两种时间黑洞的两种时间102课堂优质黑洞拉引黑洞拉引103课堂优质黑洞附近的时空弯曲黑洞附近的时空弯曲104课堂优质吸吸入入黑黑洞洞105课堂优质 二、黑洞的基本特征二、黑洞的基本特征 1.“黑洞无毛黑洞无毛”定理定理 黑洞无毛黑洞无毛：黑洞除质量、角度量、电荷：黑洞除质量、角度量、电荷 外，不保持形成它的物质的任何性质。外，不保持形成它的物质的任何性质。 2. 黑洞的基本类型黑洞

40、的基本类型 是质量角动量旋转的克尔黑洞。是质量角动量旋转的克尔黑洞。 3. 黑洞的物质形态：夸克黑洞的物质形态：夸克 4 .黑洞旋转电机模型黑洞旋转电机模型106课堂优质黑洞无发黑洞无发107课堂优质黑洞无发黑洞无发108课堂优质109课堂优质黑黑洞洞吸吸积积电电机机模模型型110课堂优质 三、黑洞辐射（霍金辐射）三、黑洞辐射（霍金辐射） 1970年，霍金提出黑洞辐射年，霍金提出黑洞辐射-黑洞不黑黑洞不黑 1.霍金辐射原理霍金辐射原理真空极化真空极化 a.量子真空被黑洞引力场极化，在狄拉克量子真空被黑洞引力场极化，在狄拉克海洋中虚粒子对不断产生和消失；海洋中虚粒子对不断产生和消失； b.粒子对

41、在黑洞附近有四种可能；粒子对在黑洞附近有四种可能； c.霍金计算表明：霍金计算表明：过程过程，即反粒子被黑，即反粒子被黑洞捕获而正粒子在外部世界显形，发生的几洞捕获而正粒子在外部世界显形，发生的几率最大。率最大。 d.黑洞捕获反粒子，自发损失能量（质量）黑洞捕获反粒子，自发损失能量（质量） -等价于黑洞在蒸发，发出粒子气流。等价于黑洞在蒸发，发出粒子气流。111课堂优质黑黑洞洞辐辐射射112课堂优质黑黑洞洞辐辐射射113课堂优质超超越越时时空空(Star Trek)114课堂优质 2.黑洞的寿命黑洞的寿命 黑洞反射率与黑洞质量平方成反比黑洞反射率与黑洞质量平方成反比: 质量越大，寿命越大；质量

42、越大，寿命越大； 质量越小，寿命越小。质量越小，寿命越小。 计算表明：计算表明： M日日黑洞黑洞 寿命寿命1065年；年； M1015克克 为原始小黑洞，寿命为原始小黑洞，寿命1011年，年，与宇宙年龄相当。与宇宙年龄相当。 原始黑洞现在已经蒸发。原始黑洞现在已经蒸发。115课堂优质 四、找寻黑洞四、找寻黑洞 1.原初黑洞原初黑洞 小质量（小质量（3.5 M日日，恒星演化末态。，恒星演化末态。 3.星系级黑洞星系级黑洞 黑系的核心，活动星系核心的类星体。黑系的核心，活动星系核心的类星体。 4.宇宙黑洞宇宙黑洞116课堂优质117课堂优质双星黑洞双星黑洞: : 天鹅座天鹅座X-1X-1118课堂

43、优质加加尔尔各各答答黑黑洞洞与与银银河河系系中中心心黑黑洞洞119课堂优质“钱钱德德拉拉号号”发发现现发发声声黑黑洞洞120课堂优质两种黑洞两种黑洞: :静止的和旋转的静止的和旋转的121课堂优质星星系系黑黑洞洞122课堂优质观观测测黑黑洞洞123课堂优质看看到到黑黑洞洞124课堂优质黑洞的引力透镜效应黑洞的引力透镜效应125课堂优质 宇宙黑洞宇宙黑洞126课堂优质时空隧道时空隧道127课堂优质时空隧道时空隧道128课堂优质129课堂优质利利用用黑黑洞洞能能量量130课堂优质131课堂优质 恒星世界总结：恒星世界总结： 恒星演化的三种结局恒星演化的三种结局 天体演化的临界质量天体演化的临界质量132课堂优质恒星的演化恒星的演化133课堂优质两类恒星的演化两类恒星的演化134课堂优质135课堂优质不同质量恒星的演化不同质量恒星的演化136课堂优质137课堂优质