1宇宙大爆炸理論CONTENTS第10章現代天文學恒星的起源和演化210.2課程標準

1.知識目標

識記恒星的亮度、視星等、光度、絕對星等的概念。

識記天文學的距離單位。

理解赫羅圖的重要意義。理解原恒星、主序星、紅巨星、白矮星、中子星、黑洞的成因。2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用。

第二節恒星的起源和演化

一、赫羅圖

恒星的光度依賴于它的溫度和大小，故把它們的光度和溫度作圖比較就能把恒星按體積大小區分開來。如果兩顆恒星的溫度相等而直徑不等，那么直徑小的光度就小（白矮星），這是因為直徑小的恒星其表面積也小的緣故，所以它的位置就在圖的下方。

如果兩顆星的光度一樣但溫度不同，冷星的體積必然要大些(紅巨星)。因此，越冷的星在圖上的位置越靠右。這種恒星光度和光譜型關系的圖，是由丹麥天文學家赫茨普龍和美國天文學家羅素于1905和1913年各自獨立創制，故名赫羅圖。赫羅圖1.恒星的亮度與視星等恒星的亮度是指地球上受光強度，即恒星的明暗程度。表示天體亮度的等級叫做視星等。古代的天文學家們很早就開始了根據恒星亮度劃分恒星等級的工作，天文學家把天上的恒星分成6等，以肉眼看來最亮的星為1等星，肉眼勉強可見的暗星為6等星。而比1等星更亮的太陽、月亮、等的星等值只能以負值來表示了。全天最亮的恒星天狼星為-1.45等，金星最亮時為-4.22等，月亮滿月時的亮度為-12.73等。2.恒星的光度與絕對星等光源的視亮度與其距離的平方成反比。為了比較不同恒星的真實發光能力，必須設想把它們移到相同的距離上，才能比較它們的真正亮度即光度。天文學上把這個標準距離定為10個秒差距，即32.6光年處的亮度，稱為光度。

光度和亮度的公式：M=m+5-5lgd

太陽的亮度達-26.74等；絕對星等是4.75。根據亮度確定視星等根據光度確定絕對星等3.天文學的距離

（1）天文單位：規定地球到太陽的平均距離為一個天文單位，用1AU表示。1AU=1.496×108km.

（2）光年：定義光在真空中行走一年的距離為一光年，用1l.y.表示。1l.y.=9.4605×1012km.

（3）秒差距：指的是從某天體看太陽系時正交于視線上1AU所張的角度為1″(角秒）時的距離。

1pc=2.06×105AU=3.26l.y.

從某天體看太陽系時正交于視線上1AU所張的角度為1″時的距離。4.恒星的顏色恒星一般呈現出某種顏色，如紅色、黃色、白色、藍色等。在可見光中，紅光波長最長(0.7微米），藍光波長最短（0.4微米）。按照維恩位移定律：

λT=2.9×10-3

發光體的溫度越高，其光強最大值處的波長越短。

太陽在赫羅圖上處于主星序的中部。它是一個中等質量、是一個黃色的恒星，表面溫度6000K。發光體的溫度越高，其光強最大值處的波長越短。二、恒星的演化

（一）原恒星階段18世紀初康德等倡言的散布于空間中的彌漫物質（稱為星云）可以在引力的作用下凝聚成太陽和恒星的假說，經過歷代天文學家的努力已逐漸發展成為相當成熟的理論。

盡管星際物質的密度很低，約為10-19kg/m3，但它們的分布很不均勻。當引力做功轉化成熱，使分子云密度增加的同時溫度也不斷增高。

當引力勢能轉化為熱能而使中心天體熾熱發光。這就是原恒星階段。原恒星

原恒星在不斷收縮過程中，當引力能轉化的熱能使中心溫度達到107K時，就足以觸發恒星中心氫聚變為氦的熱核反應，從而放出巨大的核能，此時恒星不斷向外輻射出大量能量，我們說一顆恒星誕生了。按愛因斯坦質能關系，一定質量m聯系的能量E是質量乘以光速的平方mc2。與虧損質量相聯系的能量也這樣計算。每四個氫聚變成一個氦（4H1→He4）放出247MeV的能量。核燃燒使恒星內部物質產生向外的輻射壓力，當輻射壓力與引力達到平衡時，恒星的體積和溫度就不再明顯變化，進入一個相對穩定的演化階段，稱為主星序階段。恒星在主星序階段停留的時間最長，包括太陽在內的迄今發現的恒星90%處在這一階段。

（二）主序星階段主序星

（三）紅巨星階段

恒星中的核燃燒不僅發生于氫到氦的轉變，還有氦到碳再到其他較重元素的逐級轉變。

但發生這些轉變的溫度要求越來越高，溫度要高達一億度甚至幾十億度。當恒星核心部分氫完全轉變成氦后，恒星的內部將要發生新的變化。

一方面，星核由于輻射能力下降在引力作用下將收縮，收縮過程中引力做功產生的熱將恒星核心溫度再次提高，達到引發氦生成碳的程度，引發新一輪核反應。

另一方面外面殼層的氫也會開始燃燒。可以想象，同時有兩個不同的核聚變發生，情況將是復雜的。

3He4→C12氦燃燒階段形體的結構

當氦燃燒完畢后，恒星核心又會類似的進行新一輪核反應。這樣的過程一直會進行到合成鐵時為止。即：當溫度大于一億度時，3He4→C12；C12+He4→O16+He4→Ne20+He4→Mg24

當溫度大于幾十億度時，Mg24+He4→Si28+He4→

S32+He4→Cl36+He4→Ca40---Fe56.這一階段恒星核心經歷幾個不同的核聚變反應，恒星也經歷多次收縮、膨脹，其光度也發生周期性的變化。此階段可稱為恒星的“更年期”。紅巨星、紅超巨星就是這一階段后期的產物。恒星的“更年期”（四）恒星的結局1.白矮星

如果恒星的質量不超過1.4倍太陽質量，則簡并電子氣的壓力能夠抵抗住引力坍縮，使星體穩定下來,這就是白矮星。

其密度約105

～108g/cm3，半徑300～1200km，是恒星演化的第一種結局。第一顆被發現的白矮星是雙星系統天狼星A的伴星天狼星B。穩定白矮星的質量上限為1.44太陽質量，稱為錢德拉塞卡極限。

天狼星的伴星是白矮星

2.中子星

初始質量更大的恒星，電子被擠進原子核內，與質子結合成中子，并且達到簡并態（高密度）。恒星的外層則隨即出現超新星爆發而被炸散。剩下的只是一個由簡并態中子氣壓力支撐的核心，這就是中子星。中子星幾乎完全由中子組成，其大小只有同質量年輕恒星的百萬分之一。中子星物質的密度約1014～

1015g/cm3，半徑小于10km，其他物理條件，如強引力、高溫度、強磁場等的極端程度也都遠超過白矮星。

中子星的最大可能質量，尚沒有精確確定，現有的估算值是在1.44～2.44倍太陽質量之間。

脈沖星是高速旋轉的中子星。它有很強的磁場，當自轉軸與磁場軸不一致時，磁感線的兩個輻射錐就像燈塔一樣掃過接收者，于是收到脈沖信號。中子星示意圖

3.黑洞

如果恒星在經過各種形式的質量損失特別是超新星爆發之后，其核心剩余的質量大于2.44太陽質量，就沒有任何力量能夠阻止引力坍縮。按照廣義相對論，物體一旦收縮到一個被稱為引力半徑的特征半徑以下，強大的引力就會使得包括光在內的任何物質都不可能再逃逸出來，物體也就消失在黑暗之中。這就是黑洞，即恒星演化的第三種結局。

黑洞的物質密度大于1016g/cm3，半徑約為幾個km。黑洞示意圖

“類星體”距離我們非常遙遠，能被觀察就說明它產生的能量非常驚人，現有的理論都不能很好地解釋其產生能量的機制，天文學家想到，這也許就是黑洞。白矮星中子星黑洞質量≤1.44M⊙1.44～2.44M⊙≥2.44M⊙半徑300～1200km＜20km幾個km平均密度105～108g/cm31014～101