恒星世界

夜空閃爍的繁星，都是和太陽一樣的天體，唯一的原因就是它們全都距離十分遙遠。斗轉星移，是因為地球本身在自轉；四季星空的變化，是因為地球繞太陽公轉。一、燦爛的星空古人看不出星空排列圖形的變化，所以稱它們為“恒星”。如果時間拉到10萬年，星空也許就會面目全非了。

盛夏時，南天低空處還有一個著名的星座天蝎座。

中部一顆紅色亮星中名心宿二（天蝎ɑ），又稱大火星。《詩經》中所謂“七月流火，九月授衣”，指的是農歷七月大火星逐漸“流”向西方，盛夏將盡，九月之前要準備好過冬的衣服。

深秋時節，牛女西沉，飛馬、仙女大四方形成為星空主角（圖3.1.5）。四方形東北角上的亮星是仙女ɑ（壁宿二），著名的仙女座星系M31就在附近。

冬夜星空中，最為壯麗動人的是獵戶座（圖3.1.6；獵戶星座照片）。獵戶腰帶上排成一線的三顆亮星，中名參宿三星。沒有鐘表的時代，它是漫長冬夜里的天然計時器。

獵戶右上不遠處是金牛座，擁有一顆紅色亮星畢宿（金牛ɑ），那是金牛與獵戶斗紅了的眼睛（圖3.1.8）。再往上是著名的昴星團，西方叫七姊妹星團。好眼力的人可以看到六七顆星密集在一起。這是全天唯一可以用肉眼看見的銀河系疏散星團，成員星有120多顆。

天狼星（大犬ɑ）、參宿四與南河三（小犬ɑ）組成的等邊三角形，稱為“冬夜大三角”，是冬夜星空顯著的標志

北河三即雙子β，不知為多少古代航海家指引過航向（圖3.1.13）。獅子β（中名五帝座一）、牧夫ɑ（中名大角）和室女ɑ（中名角宿一）這三顆亮星也組成一個等邊三角形，是有名的“春夜大三角”。南半天球最著名的星座是南十字座。

銀河系中心方向在人馬座，其中有6顆亮星，中國古稱“南斗六星”。1995年1月，哈勃望遠鏡拍到了參宿四的圓面照片，這是人類首次獲得的恒星圓面圖像。二、恒星的亮度天文學中恒星真亮度的定義是：假設把它們都放到10個“秒差距”遠處來看的亮度。表示真亮度的星等，叫做絕對星等。“秒差距”是天文學中常用的距離單位，等于206265倍地球到太陽的距離，或大致等于3.26光年。恒星全都十分遙遠，從那里看地球與太陽之間的最大張角，叫做“周年視差角”，簡稱視差。

離太陽最近的半人馬座比鄰星，距離1.31秒差距或4.27光年。

全天空亮于1.5等的恒星共有21顆。太陽的視星等一26.74，絕對星等4.83。如果把太陽放到10個秒差距遠的地方，它便成為一顆肉眼很難尋覓的小星了。

直接觀測得到的是視亮度和視星等。真亮度和絕對星等需要從理論推算得出。測量視星等的技術工作叫光度測量，它是研究恒星最重要、最基本的測量之一。1960年以后，出現了光電方法：通過電子設備讓望遠鏡得到的光信號轉換為電流信號，測量電流的強弱而知道星的亮度。1980年以后，出現了更先進的CCD（電荷耦合器件）技術，使測量精度和自動化程度大幅度提高。三、恒星和光譜

恒星光譜分析技術的出現不僅使天文學家得到了恒星化學組成的知識，還得到了恒星表面大氣層的溫度、壓力、密度，以及恒星的質量、體積、磁場狀況、自轉運動、距離和空間運動的知識，甚至包括宇宙的物質組成、結構和運動規律及演化的知識，開創了人類研究天體的新紀元，促進了天體物理學的長足發展。

輻射通過兩種不同介質的界面時會產生折射；頻率不同，折射率便不同。當混合光通過一塊三棱鏡時，由空氣—玻璃—空氣兩次界面的折射，多種頻率混合在一起的白光就分成了多種顏色的彩帶，按紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的順序，也就是波長從大到小的順序排列，稱為光譜。牛頓發現的太陽光譜是色彩生動而又明亮的連續光譜。凡是熾熱的固體、液體和處于高壓下熾熱的氣體都會發出這種連續光譜。｝

基爾霍夫通過以上發現總結出著名的定律：每一種化學元素在高溫狀態下都能產生輻射而發出自己的明線光譜；同時，在低溫狀態下，它又能吸收這些輻射，而使光譜中的明線變成暗線。他還提出，將復雜的化合物燃燒成火焰，觀察火焰形成的光譜，就能論證出化合物中含有哪些元素。比較譜線的強度還能確定各元素的含量。這就是后來廣泛應用的光譜分析技術。

根據物理學中的塞曼（P.Zeeman）效應，如果光源處在強磁場中，光源發出的光譜線會分裂成數條，裂開的寬度與磁場強弱有關。測量恒星光譜中的塞曼效應，可以得知恒星的磁場強度。

分光能力更強的設備是光柵攝譜儀。光柵是一種精密光學元件。在非常平整光潔的光學玻璃平板上，刻出許多條間隔相等互相平行的細線，做成光柵。利用光的干涉和衍射的疊加原理使通過光柵的混合光分解成光譜。

依物理學中的做法，將電磁波按波長或頻率的次序排列起來，稱為電磁波譜。四、恒星的位置和運動

恒星的空間位置由三個坐標參數來確定，兩個是天球球面上的經緯度：赤經和赤緯，另一個是距離。

3.4.1到離太陽最近的半人馬座比鄰星，光也要走4.2年

恒星相對于太陽的運動也由三個坐標參數表現出來。它們是：天球球面上赤經和赤緯的變化兩個參數，距離的變化一個參數。前者稱為自行，后者稱為視向速度。視向速度測定用的是物理學方法——多普勃效應。恒星輻射的波長反映在光譜上，某種元素的譜線發射時對應于一定的波長值，這是原子的特性，是不會改變的。但是地球上的望遠鏡接收到這種譜線時，它的波長會因恒星的視向運動速度而改變，有紅移或有紫移。

光譜線有紅移，表明恒星遠離我們而去；光譜線有紫移，表明恒星靠近我們而來。五、主星序1.光譜型

光譜是恒星的身份證。

2.赫羅圖——光譜光度圖

丹麥天文學家赫茨普龍（E.Hertzsprung）和美國天文學家羅素（H.N.Russell）各自獨立地提出了恒星的光譜型與光度之間存在著相關關系，并以圖形來表示，稱為赫羅圖或H-R圖。赫羅圖以光譜型（或溫度）為橫坐標，以光度（或絕對星等）為縱坐標，把所有已知光譜型和光度的星點在圖上，每個點代表一顆星。結果發現，全部星點群集在三個不同的區域里（圖3.5.1）

3.主序星

主序星是恒星一生中處于穩定階段、停留時間最長的恒星。恒星在這個階段停留的時間占整個壽命的90%以上。

主序階段的恒星有的處在溫度和光度都較高的位置（赫羅圖的左上部），有的處在溫度和光度都較低的位置（赫羅圖的右下部），這主要取決于恒星的質量。質量越大的主序星，光度越高，溫度也越高。主序星的光度大約和質量的3.5～4次方成正比，這一規律稱為“質光關系”（圖3.5.4），它提供了一個估計恒星質量的重要方法。

太陽停留在主序階段的時間約100億年。

無論質量大小，恒星內部由氫核聚變為氦核的熱核反應是維持主序階段的主要物理標志。一旦氫核燃料消耗殆盡，恒星就進入晚年，離開主星序，由衰老而死亡。六、雙星

1.雙星

雙星是兩顆恒星，像地球和月亮繞著它們的公共質心轉一樣互相繞著轉。據對恒星世界的調查，約有半數以上的恒星是“成雙成對”的。

2.食雙星

當雙星的軌道面與人們的視線幾乎在一個平面上時，人們就會看到一顆星擋住另一顆星的掩食現象，就像發生日食那樣，星光會明顯變暗。這種雙星叫食雙星。

3.分光雙星和密近雙星

用光譜方法發現的雙星稱為分光雙星。已發現的分光雙星約有5000多對。

密近雙星是指兩顆星靠得很近，在相互引力的影響下，有物質在其間交流或出現引力變形的雙星（圖3.6.9）.

三顆以上恒星聚在一起的情況稱為聚星，更多的稱為星團。七、不穩定恒星

有一類恒星不處于這種平衡狀態，上述各種參數存在不同程度的變化，變化的形式可能是周期性的脈動，不規則的迸發或者是巨大的毀滅性的爆炸。這一類恒星稱為不穩定恒星。

1.脈動變星

脈動變星明亮、暗弱的變化周期，叫做光變周期。脈動變星有三種主要的類型：長周期脈動變星；造父變星和天琴座RR型變星。

造父變星，地位特別重要，其典型星是仙王座δ星，中文名造父一。“造父一”的光變周期為5天8小時46分38秒，像鐘表一樣準確，亮度變幅1.9倍。２、非徑向脈動與特殊變星

3.7.6/3.7.7/3.7.8特殊變星是一類有特殊的強烈變化的恒星。

3.7.9～3.7.19SS433是另一種類型的特殊變星。SS是星表名稱，433是星表中的編號。SS433是銀河系中的天體，位于天鷹座，目視星等13.5等，距離1萬光年。它是一對密近雙星，主星為藍色巨星，伴星是中子星或黑洞，相互繞轉的周期是164天3、新星

如果在星座當中，原來沒有恒星的地方，突然冒出一顆恒星，甚至達到很高的亮度，維持數月或一年，以后又慢慢變暗，最終消失，西方叫“新星”中國古代稱之為“客星”。八、恒星的能源

恒星有兩個最重要的特征。第一個特征是：擁有巨大的質量，由質量產生的引力使恒星物質聚向中心。第二個特征是：有極其強烈的熱核反應，主要是氫原子核聚變為氦原子核的熱核反應。由熱核反應產生的壓力，使恒星物質向外擴散。引力和壓力相平衡，才能使恒星保持穩定（圖5.1.1）。

質子-質子反應和碳循環都是氫原子核聚變為氦原子核反應，這兩種反應都會在恒星內部出現。在太陽內部，99%的能源來自質子-質子反應，1%的能源來自碳循環。

恒星能源機制問題的解決，使人類認識到在原子核內部蘊藏著巨大的能量，開啟了人類開發核能的新紀元。曼哈頓工程（美國人秘密研制原子彈的工程）將核能用于制造新式武器，在第二次世界大戰中付諸實施。核電站的建設為人類提供了更高效的能源。氫彈的制造，是氫核聚變為氦核的熱核反應的直接應用。九、中微子失蹤懸案中微子概念是瑞士籍奧地利物理學家泡利（Pauli）1930年提出來的，另一位意大利物理學家費米（Fermi）為它取的名字。在當時已經觀察到的自由中子衰變為質子和電子的過程中，有一部分丟失的能量下落不明。為了挽救能量和動量守恒定律，泡利提出，這丟失的能量可能被一種未能檢測到的、很輕的、不帶電性的粒子帶走，這種粒子就是中微子。它們與其他物質幾乎不發生任何作用，穿透力極強，以近乎光速穿過遇到的一切物體。

太陽中心區熱核反應產生的光子在高溫高密的環境中自由程很短，經無數次碰撞、迂回，要經歷1000萬年才能到達太陽表面。在地球上人們接受到的太陽光子，僅需8分鐘就由太陽表面傳到了地球，但這些光子從太陽中心產生出來的時間是1000萬年以前。唯有中微子，是8分多鐘以前剛剛從太陽中心產出的，唯有它們攜帶著太陽中心區的最新信息來到人們身邊。如果人們有辦法連續觀察這些中微子，一旦發現中微子數目銳減或停止傳送上，表明光子持續供應的時間還能延續1000萬年，起到了預警的作用。地球上每一個人體每秒鐘都有1萬億個太陽中微子穿過，白天從頭頂貫穿到腳下，晚上又從腳下貫穿過頭頂，而人們卻毫無知覺。科學家現在還沒有能力截獲中微子攜帶的任何信息。

1987年2月23日，當大麥哲倫云中的超新星SN1987A爆發的時候，日本神岡、美國俄亥俄、意大利和前蘇聯的4個中微子探測器共記錄到24個來自17萬光年以外的中微子，他們是從南極穿過地球來到這些探測器的，到達時間早于光學波段信號22小時。這是人類首次探察到超新星爆發過程中釋放出來的中微子。

中微子失蹤懸案終于破解，天文學家建立的太陽模型和物理學家關于中微子的理論都是正確的。2002年，中微子探測的開拓者，美國戴維斯和日本小柴昌俊獲得了諾貝爾物理學獎。

神奇的中微子，無論在實驗室里還是在太空中，人類都已觀察到它的蹤跡。在對核子理論和恒星能源機制問題的研究中，中微子都擔負著重要的角色。小小的中微子，還在決定宇宙前途命運的關鍵問題中起著舉足輕重的作用。十、星云孕育恒星

當代物理學家認為，宇宙之中一共有4種力：強力、弱力、電磁力和引力。

強力和弱力只發生于微觀的基本粒子之間，它們只有在比原子的尺度更小的范圍內才起作用。

電磁力和引力不受距離的限制，但其強度和距離的平方成反比。強力是最強大的力。

天體與天體之間的引力，決定著它們的相對位置和運動；天體內部各個質點之間的引力，決定著它們自身的生死存亡。

5.3.1恒星起源于星云。星云起源于星際物質。星際物質主要是氫、氦氣體的分子和離子，以及塵埃微粒。氫、氦是宇宙“大爆炸”初始時期布滿整個宇宙的原初物質。

5.3.2獵戶座大星云M42是銀河系中有名的恒星孵化場，那里正在成批的生育著許多新恒星。

在遙遠的河外星系中也觀測到一些恒星誕生于星云的場景。在大麥云中就有好幾處。Hodge301是蜘蛛星云中的恒星孵化場。5.4.1/5.4.2～5.4.20恒星壽命的長短取決于它的質量；恒星死亡取何種結局，也取決于它生前的質量。恒星的質量以太陽質量為單位。小于2.3太陽質量的屬小質量恒星，死亡方式較為平穩，結局是白矮星加一片碩大而稀薄的星云——行星狀星云。

行星狀星云的美麗為時不長，它們以10～30千米/秒的速度向外擴散，5萬年后完全散去，只剩下孤燈獨處的白矮星也許能熬過幾十億年的光陰，慢慢冷卻、黯淡下去，光輝盡失，成為宇宙中的暗物質。

5.4.21超新星爆發是中等質量和大質量恒星與自身重量抗爭到最后，一次最猛烈的爆發。短時間內傾瀉出的能量比恒星一生正常輻射能量的總和還要多。超爆之后，恒星死亡。十一、恒星化作星云

鳳凰涅槃，死而新生”。超新星爆發是一顆恒星死亡的詔告，同時也是新一代恒星誕生的動力。超爆沖擊波會促成原本彌散的星云或星際物質聚集在一起，邁上新恒產出的途程。

5.4.23銀河系中的超新爆發，是非常罕見的天象。有史以來人類史記錄到9次，都發生在望遠鏡發明之前，而且全部都記錄在中國的歷史文獻中。

公元1054年（宋至和元年）超新星最負盛名，出現在北宋仁宗至和元年，史稱“天關客星”。5.4.28/5.4.29～5.4.32這顆超新星突然爆發并為宋朝人親見的時間是1054年7月4日凌晨4點左右，最后消逝的日期是1056年4月6日，共見643天，位置在金牛座ζ星（中文名天關星）近旁。在這個位置上，用現代望遠鏡可以看到有一片蟹狀星云，在梅西耶天體表中列為第一號M1。5.4.33～5.4.43現代天文觀測發現銀河系中的超新星遺跡共有150多個絕大多數爆發在人類史前時期，沒有文字記載。5.4.46～5.4.50用現代天文望遠鏡測到的超新星都在遙遠的河外星系中，至1999年底已達1650多顆。唯一一顆肉眼可見的是1987年發生在大麥云中的超新星SN1987A（光盤圖5.4.46SN1987A爆發前后之比較）。SH1987A是典型的Ⅱ型超新星，最亮時有北斗七星那樣亮，爆發總能量3Χ1046焦耳，相當于太陽一生輻射能量總和的300倍。十二、恒星演化的最后結局喪失熱核反應能力使恒星走向死亡。恒星死亡后的遺骸在引力的擺布下，塌縮為高度致密的天體。如果殘余質量小于1.44太陽質量，那是白矮星；在1.44太陽質量與3太陽質量之間，那是中子星；大于3太陽質量，那是黑洞

1.44太陽質量被稱為錢德拉塞卡極限。

太陽在變成白矮星以前的紅巨星階段，將吞沒掉水、金、地三個行星；變成白矮星以后，雖然體積縮得很小但質量損失不多，引力依然強大。火星及更靠外面的行星還會繞著它旋轉