天体与地球第三章恒星.ppt

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1、1,第一节 恒星的基本物理参量与赫罗图 一、恒星的基本物理参量 二、赫罗图 第二节 恒星的形成和演化 一、恒星的形成 二、恒星的青壮年 三、恒星晚年的演化 第三节 恒星熔炉中元素的锻造 一、宇宙元素的分布规律 二、元素起源 第四节 黑洞宇宙物质演化的终点与起点 一、黑洞的特征和结构 二、黑洞辐射（霍金辐射） 三、找寻黑洞,第三章 恒 星,2,由国际天文学家联盟1925年认定并确定编号的星座共88个,3,第一节 恒星的基本物理参量与赫罗图 一、恒星的基本物理参量 1. 恒星 主要由等离子体的H和He组成，内部进 行热核聚变反应，能自行发光的球状天体。 最普通的恒星-太阳。 最近恒星-半人马座比邻

2、星（4.22光年） 恒星不“恒”，仅是距离遥远，故名。 恒星的化学组成：主要为H、He（97）；次代恒星可含少量重元素：O、C、N、Ne、Si、Mg、S、Fe等（3）。 恒星是宇宙能量循环、物质转化的主要场所,4,2恒星的基本物理参量 （1）亮度和光度 亮度（视星等m）恒星真正发光强度 地球上测定的星等称视星等m， 视星等m = -2.5LgE； E为亮度 常见天体的视星等：太阳-26.7；满月-12.7 天狼星-1.46；织女星0 光度（绝对星等M） 恒星真正发光强度 （将天体换算成距地球等距离：10秒差距） 绝对星等与视星等的关系式： M = m + 5 - 5Lgr r = 秒差距,5,

3、6,恒星的距离和亮度,7,视星等与绝对星等,8,9,恒星光度（体积）分级： . 超巨星 . 亮巨星 . 正常巨星 . 亚巨星 . 矮星（主序星） . 亚矮星 . 白矮星 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） 越大，绝对星等越小。,10,（2）表面温度与恒星的光谱分类 表面温度（有效温度）：40000-3000K 哈佛光谱分类 光谱型 ： O、B、A、F、G、K、M 蓝 白 黄 红 次型 ： 每个谱型可分10个次型 恒星光谱二元分类 哈佛光谱分类 + 光度级 太阳G2V ；黄色次二型；5770K；矮星 织女（天琴座星）AOV：白色0次型； 温度10000K； 矮星

4、 参宿四 （猎户座星）M2I ：红色2次型； 温度3400K；超巨星,11,恒 星 光 谱 型,12,（3）恒星的直径 直径范围： 几公里108公里 （4）恒星的质量 质量范围： 0.1 几十M日 太阳质量 ： M日 1.989 1033克 （2亿亿亿吨） （5）恒星的密度 密度范围：10-9克/厘米3 10 15克/厘米3 （红超巨星） （中子星）,13,恒 星 的 体 积 与 密 度,14,（6）距离 三角视差法测距 造父变星的周光关系测距 a. 造父变星： 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 -标准烛光。 b. 造父变星的周光关系： 光度周期（天）与

5、绝对星等之间呈线性 函数关系。,15,三角视差法测距,16,c. 测距原理： 将遥远星系内的造父变星与银河系内 的造父变星相互比较。 i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 光关系推算出绝对星等M III. 根据观测亮度推算出视星等m IV. 据公式M = m + 5 - 5Lgr ，求距离r I 型超新星-新的标准烛光 将遥远星系内的I 型超新星与银河 系内的I 型超新星相互比较。,17,量 天 尺, 造 父 变 星,18,造父变星的周光关系,19,二、赫 罗 图 1. 赫罗图：表示恒星的光谱型（表面温度） 与光度（体积）的关系图 赫茨普龙罗素 H - R 2

6、. 恒星在赫罗图内分布规律 （1 ）主序星：分布在主星序内的正常恒星 主星序：左上方-右下方的对角线带内， 集中了90%恒星。 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。 主序星的质光关系 ：光度质量3.5 质量越大，恒星越亮；密度越低；寿命越短,20,赫 罗 图,21,赫罗图和它的发明者,22,主序星的排序与寿命,23,（2）红巨星与红超巨星 分布在赫罗图右上方 红巨星 光谱型为M，3000 4000K， 红色；体积大，光度 100太阳 红超巨星 光谱型为M， 3000 4000K， 红色； 体积更大，光度 1000太阳 红巨星与红超巨星都是演化晚期的恒星。 （3

7、）白矮星 分布在赫罗图的左下方。 光谱型为A, 1 2万K，白色；体积很小 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。,24,赫 罗 图,25,赫 罗 图,26,第二节 恒星的形成和演化 一、恒星的形成 1. 恒星的孕育 （1）物质基础：气体H、He构成的弥漫星云 恒星的产房-老鹰星座石笋状星云 （2）收缩临界质量 星云 103 104M日 （3）星云收缩的激发因素 超新星爆发； 进入星系旋臂区域 （4）星云演化结果 旋转慢单恒星 旋转快双恒星（多恒星） 旋转中等，核心与包裹星云分离 行星系统,27,蟹 状 星 云,28,马头星云,29,礁湖星云,30,恒星产房,31,太阳们的摇

8、篮-冷的暗星云,32,46亿年前太阳系的诞生,33,双恒星,34,2. 恒星的诞生 （1）星云快速引力收缩阶段 星云收缩：10-18克/厘米3 形成凝聚核，10 -13克/厘米3 核心1500K ，H2H电离H+、e- 原恒星增辉：核心向外辐射光， -原恒星形成， 3000K （2）原恒星演化阶段 a. 慢引力收缩(林忠四朗期)：对流输运能量。 b. 进入主序星阶段 ：辐射输运能量。 核心温度1千万K-热核聚变的临界温度； 恒星动态平衡： 释能 = 引力,35,恒星太阳的形成,36,太阳系的诞生,37,二、恒星的青壮年 （主序星阶段） 恒星的能源热核聚变 （1）热核聚变原理（贝特理论） 41H

9、 4He H核 1.00782质量单位 He核 4.002603质量单位 4H核 - He核 = 0.0287质量单位 1克氢聚变产能6.5 1011焦= 20万吨煤热量 太阳每秒400万吨质量转化为能量 -太阳寿命100亿年,38,氢热核聚变有两种方式： P-P反应（质子-质子反应） 1H + 1H2D + e+ + V （1） 2D+1H 3He （2） 3He + 3He 4He + 21H （3） （1）（3）净结果： 41H 4He + 2e+ + 2V,39,质子-质子反应,40,热核聚变原理（贝特理论） 41H 4 He,41, 碳氧氮（CNO）循环反应 12C + 1H 13N

10、 （1） 13N 13C + e+ + V （2） 13C + 1H 14N （3） 14N + 1H 15O （4） 15O 15N + e+ + V （5） 15N + 1H 12C + 4He （6） （1）（6）净结果： 41H 4He + 2e+ + 2V 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,42,碳 氮 氧 循 环 反 应,43,2.恒星在主序星阶段停留的时间 -恒星的寿命 （1）离开主序的条件：当聚变He占12%时 （2）主序星的寿命： 根据质光关系，光度与质量3.5 成正比 寿命与质量3.5 成反比 a. 早型星（ O、B型）： 大质量、高光度、低寿命 b

11、. 晚型星（M、K型）： 小质量、低光度、长寿命 c. 中间型星 F、G型： 介于上述二者之间。,44,三、恒星晚年的演化-脱离主星序 离开主序星的物理变化-镜像法则： 中心核收缩-氢燃烧生成氦核， 粒子数减少，压力降低。 外层膨胀-中心核收缩的结果，导致温 度升高，密度增大，热核反 应更加剧烈，产生过多能量， 向外辐射、膨胀。 决定恒星晚年演化进程和结局的 主要因素是：质量,45,镜像法则,46,1. 中等质量恒星（82.2M日）的演化 -7M日恒星为例： 主序星 停留在主星序2600万年 红巨星 氦核的形成并燃烧 。 氦热核聚变的临界温度：1亿K 脉动造父变星 红超巨星 氦层 2亿 K，外

12、层氢1亿K， 星体全部燃烧，迅速释放能量。 -红超巨星爆炸 残留核心（C、O、Ne） 行星状星云 白矮星（ 白矮星质量上限： 1.44M日 - 昌德拉塞卡极限,47,2. 小质量恒星（0.5 2.2M日）的演化 主序星 几十亿几千亿年 红巨星 a. 氦核心区电子简并 电子简并：一定温度下，热运动电子均 占据满位置，具极高密度。 b. 氦闪: 爆炸性氦燃烧,几秒钟完成 变星 不稳定变星 红超巨星 爆炸 CONe核：白矮星 行星状星云 白矮星,48,双 层 太 阳,49,太 阳 的 晚 年,50,太 阳 在 赫 罗 图 内 的 演 化 轨 迹,51,太阳在赫罗图上的演化轨迹,52,太阳的一生,53

13、,白 矮 星,54,太阳的晚年 -白矮星和行星状星云,55,3. 极小质量恒星（0.5M日）的演化 （1）0.5 0.07M日恒星的演化 主序星 几万亿年 白矮星 核心区8千万K，氦不燃烧 核电子简并收缩形成He白矮星 外层H行星状星云 （2）0.07M日恒星的演化 为褐矮星，无热核聚变，仅有2H捕获 质子反应，几百万年2H耗尽，星体收缩， 呈简并固（液）态。释热后变成黑矮星。,56,4超大质量恒星（ 8 M日）的演化 -超新星、脉冲星与中子星 （1）超新星（ 型超新星） 超新星：恒星中爆发规模最为强烈的变星， 是恒星演化晚期产物。 超新星爆发：光度1071010太阳（星系级） 释能10471

14、052尔格（太阳百亿年） 两类超新星：型超新星（由星族而来） 不含重元素，8M日 型超新星（由星族而来） 含重元素，38 M日,57,超新星及蟹状星云的记载： a.1054年宋会要辑稿记载： “宋嘉佑 元年三月司天监言客星没， 客去之兆也，初至和元年五月晨出东方， 守天关；昼见 如太白，芒角四出，色赤 白，凡见二十三日。” b.1731年，英人发现金牛座蟹状星云； c.1921年，邓肯发现蟹状星云的膨胀 -已膨胀900年； d.1928年，哈勃认为： 蟹状星云1054年超新星爆发,58,蟹 状 星 云,59,1975年天鹅座超新星爆发前,60,1975年天鹅座超新星爆发后,61,1987A 超

15、 新 星 爆 发 前 后,62,1987A 超 新 星 爆 发 后 的 行 星 状 星 云,63, 型超新星爆发机制 a.轮番核燃烧（元葱头结构）： H燃烧He， H燃烧形成收缩核 He燃烧C、O，核心1.9亿K， 1100克/厘米3 C燃烧Ne、Mg、Na，核心7.4亿K， 24104克/厘米3 Ne燃烧Si，核心16亿K， 740104克/厘米3 O燃烧 Si燃烧 56Fe核心， 呆滞核，50亿K,64,超 新 星 洋 葱 头,65,每一轮轮核聚变的产物都是下一轮 核燃烧的原材料，直到56Fe为止！ b.原子核裂解，坍缩： 温度100亿K，1010克/厘米3 56Fe134He+4n-12

16、4.4MeV 4He2p+2n-28.3MeV c.中子化巨大原子核中子星 p+e-n+Ve 中子间距10-13厘米，密度1015克/厘米3 中子化过程释放大量中微子爆发！ -中微子天文学,66,67,68,日本神冈中微子探测装置,SN1987A爆发时 记录了24个中微子,69,震荡的中微子,70,型超新星,II,71,中子星模型,72,（2）脉冲星 脉冲星-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 发现脉冲射电源，间隔1.3373秒，持续0.025 秒，“小绿人” 脉冲源脉冲星 脉冲星模型-极高速旋转的致密天体 （3）中子星 中子星的预言和发现 a.1923年巴德和兹威基

17、预言中子星存在： 死亡恒星质量1.44M日（昌氏极限）时， 将成为由1052中子组成的天体。,73,脉冲星的发现,74,脉 冲 星 与 中 子 星,75,b.1939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：3.5 M日 -奥本海默极限。 c.1968年，蟹状星云中心脉冲星的发现，脉 冲周期0.0033秒 中子星模型 中子星：由中子简并压力约束的天体。 密度10131015克/厘米3 中子星模型：铁壳 结晶幔 超流中子液 核,76,脉冲星模型,77,蟹状星云中的脉冲星(中子星),78,（4）型超新星 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。 型超新星

18、爆发机制 a.白矮星为电子简并态：由C构成 b.白矮星吸收同伴红巨星物质，形成H壳 c.当白矮星质量1.44M日时，压缩H壳升 温至1000万K时，H燃烧He d.H燃烧迅速将星体加热至1亿K，引起电 子简并核心He、C爆炸性燃烧：氦闪、碳闪。 e.爆炸后，质量1.44M日，仍为白矮星 型超新星爆发-“新标准烛光”,79,双星,天鹅座X双星,80,81,型超新星,I,82,83,天狼星B 在赫罗图上的演化轨迹,84,不同质量恒星的演化,85,第三节 恒星熔炉中元素的烹制 -B2FH理论 一、宇宙元素丰度 1956年 修斯、尤里发表宇宙元素表， 总结宇宙中元素的分布规律： H、He占97； 重元

19、素含量少于2；4100（原子量） 元素丰度呈指数减少； D、Li、Be、B远少于相邻元素；,86,87,宇宙元素分布规律,88,16O、20Ne40Ca等4N元素丰度 大于相邻元素； 偶数元素丰度大于奇数元素； 56Fe丰度大，（百倍峰值）； 比Fe重的元素丰度差不多。,89,二、重元素的烹制 重元素起源-B2FH理论 B2 -伯比奇夫妇 F-福勒 H-霍伊尔 1.重离子热核反应-形成56Fe之前所有元素 过程（He+：粒子） 4N核素 2：4He+4He8Be+ -95KeV （1亿K） 3：8He+4He12C+ 7.4KeV,90,4：16O（、 ） 5：20Ne（、 ） 6：24Mg（

20、、 ） 109K（10亿度） 14: 56Fe e过程4N核素的相邻元素 6：12C+12C23Na+p 7108K（7亿K） 8：16O16O31Pp 2109K 31Sn,91,2.俘获中子反应-形成56Fe之后所有元素 (Z, A) (Z, A+1) (Z+1, A+2) (Z, A)： 56Fe Z：原子序数（质子数） A：质量数（核子数n+p） 大质量恒星演化晚期的超新星爆发提供 强大中子源， 56Fe的原子核在瞬间完成了 俘获中子，制造重元素的过程！,n,(np),-,92,现代炼金术,93,94,富 勒 球,C60,95,克罗托与富勒烯,96,97,98,总结：元素的起源-原子核

21、演化 .在宇宙最初的三分钟 原初核核合成:合成 H、He 和极少量 Li。 .在千千亿亿颗恒星的熔炉中 He元素在不断增加（贝特理论）； 重元素的烹制（B2FH理论）： 重离子热核反应-形成56Fe之前所有元素 过程（ 粒子：He+） 4N核素 e过程4N核素的相邻元素 俘获中子反应-形成56Fe之后所有元素,99,宇宙中最重要的化学元素 . H、He：恒星的基本物质； 化学元素之源。 . Fe：类地行星的核心； Si、O：类地行星的幔、壳。 . C：最重要的生命元素 -“碳基生命”。 . C、H、O、N：四大生命元素。,100,第四节 黑洞-宇宙物质演化的终点与起点 一、黑洞的特征和结构 1

22、. 黑洞 1783，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 1798，拉普拉斯：如果吸引使光都无法 发出-不可见天体 1916，史瓦西建立广义相对论引力场解 -史瓦西度规S： 大质量恒星塌缩使周围引力场增强，空 间弯曲，光线偏转，当恒星半径达到： S=2MG/C2，光线将无法逃逸。,101,1939，奥本海默提出奥氏极限，认为： 如果超过M日=3.5时，中子星将继续坍缩， 成为体积为0，密度的点。 1967，惠勒，命名：黑洞 黑洞定义：对于一定质量的天体，如果 它的半径小于S=2MG/C2（史瓦西半径）， 将使它的逃逸速度超过光速，这个天体就将 成为黑洞。 太阳黑洞：S

23、=3000m 地球黑洞：S=0.85m,102,史瓦西半径,103,2.黑洞结构 以S为半径的事件视界包围着一个奇点。 事件视界：光不可能逃出的区域边界 奇点：黑洞中心，具有无穷大的密度、 压力；无穷大的时、空曲率。 3.黑洞及其附近的时、空性质 黑洞附近的时、空迟滞 根据广义相对论，黑洞周围空间极度弯曲， 时间极度变慢。 黑洞事件视界内的时、空互换 黑洞事件视界内时间、空间，统一为径向 坐标，=0 时为时间、空间终结。,104,黑洞的两种时间,105,黑洞拉引,106,黑洞附近的时空弯曲,107,吸 入 黑 洞,108,二、黑洞的基本特征 1.“黑洞无毛”定理 黑洞无毛：黑洞除质量、角度量、

24、电荷 外，不保持形成它的物质的任何性质。 2. 黑洞的基本类型 是质量角动量旋转的克尔黑洞。 3. 黑洞的物质形态：夸克 4 .黑洞旋转电机模型,109,黑洞无发,110,黑洞无发,111,112,黑 洞 吸 积 电 机 模 型,113,三、黑洞辐射（霍金辐射） 1970年，霍金提出黑洞辐射-黑洞不黑 1.霍金辐射原理真空极化 a.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； b.粒子对在黑洞附近有四种可能； c.霍金计算表明：过程，即反粒子被黑 洞捕获而正粒子在外部世界显形，发生的几 率最大。 d.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。

25、,114,黑 洞 辐 射,115,黑 洞 辐 射,116,超越时空(Star Trek),117,2.黑洞的寿命 黑洞反射率与黑洞质量平方成反比: 质量越大，寿命越大； 质量越小，寿命越小。 计算表明： M日黑洞 寿命1065年； M1015克 为原始小黑洞，寿命1011年， 与宇宙年龄相当。 原始黑洞现在已经蒸发。,118,四、找寻黑洞 1.原初黑洞 小质量（3.5 M日，恒星演化末态。 3.星系级黑洞 黑系的核心，活动星系核心的类星体。 4.宇宙黑洞,119,120,双星黑洞: 天鹅座X-1,121,加 尔 各 答 黑 洞 与,银 河 系 中 心 黑 洞,122,“钱德拉号”发现发声黑洞,123,两种黑洞:静止的和旋转的,124,星系黑洞,125,观 测 黑 洞,126,看 到 黑 洞,127,黑洞的引力透镜效应,128,宇宙黑洞,129,时空隧道,130,时空隧道,131,132,利 用 黑 洞 能 量,133,134,恒星世界总结： 恒星演化的三种结局 天体演化的临界质量,135,恒星的演化,136,两类恒星的演化,137,138,不同质量恒星的演化,139,