天体与地球恒星.pptx

1由国际天文学家联盟1925年认定并确定编号的星座共88个第1页/共137页2 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第2页/共137页3 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=秒差距第3页/共137页4恒星的距离和亮度第4页/共137页5视星等与绝对星等第5页/共137页6第6页/共137页7 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。第7页/共137页8 （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 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 参宿四（猎户座星）M2I：红色2次型；温度3400K；超巨星第8页/共137页9恒星光谱型第9页/共137页10 （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 2亿亿亿吨亿亿亿吨）（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）第10页/共137页11恒星的体积与密度第11页/共137页12 （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）与绝对星等之间呈线性函数关系。第12页/共137页13三角视差法测距三角视差法测距第13页/共137页14 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 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 I 型超新星型超新星与银河与银河系内的系内的I I 型超新星型超新星相互比较。相互比较。第14页/共137页15量量天天尺尺造父变星第15页/共137页16造父变星的周光关系第16页/共137页17 二、赫二、赫 罗罗 图图 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.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；寿命越短第17页/共137页18赫赫 罗罗图图第18页/共137页19赫罗图和它的发明者第19页/共137页20主序星的排序与寿命第20页/共137页21 （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）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。第21页/共137页22赫 罗 图第22页/共137页23赫 罗 图第23页/共137页24 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 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 行星系统第24页/共137页25蟹蟹状状星星云云第25页/共137页26马头星云马头星云第26页/共137页27礁湖星云礁湖星云第27页/共137页28恒星产房第28页/共137页29太阳们的摇篮-冷的暗星云第29页/共137页3046亿年前太阳系的诞生第30页/共137页31双恒星第31页/共137页32 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 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 第32页/共137页33恒星太阳的形成第33页/共137页34太阳系的诞生第34页/共137页35 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.恒星的能源热核聚变（1）热核聚变原理（贝特理论）41H 4HeH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100亿年第35页/共137页36 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 第36页/共137页37质子-质子反应第37页/共137页38热核聚变原理（贝特理论）41H 4 He第38页/共137页39 碳氧氮（CNO）循环反应 12C+1H 13N （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第39页/共137页40碳碳氮氮氧氧循循环环反反应应第40页/共137页41 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.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。第41页/共137页42 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-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：质量第42页/共137页43镜像法则第43页/共137页44 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 -昌德拉塞卡极限第44页/共137页45 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：核：白矮星 行星状星云 白矮星白矮星第45页/共137页46双层太阳第46页/共137页47太阳的晚年第47页/共137页48太阳在赫罗图上的演化轨迹第48页/共137页49太阳的一生第49页/共137页50白矮星第50页/共137页51太阳的晚年 -白矮星和行星状星云第51页/共137页52 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。第52页/共137页53 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10471052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 第53页/共137页54 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年超新星爆发第54页/共137页55蟹蟹状状星星云云第55页/共137页561975年天鹅座超新星爆发前第56页/共137页571975年天鹅座超新星爆发后第57页/共137页581987A 超 新 星 爆 发 前 后第58页/共137页591987A1987A 超超 新新 星星 爆爆 发发 后后 的的 行行 星星 状状 星星 云云第59页/共137页60 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第60页/共137页61超新星洋葱头第61页/共137页62 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-124.4MeV 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！-中微子天文学第62页/共137页63第63页/共137页64第64页/共137页65日本神冈中微子探测装置 SN1987A爆发时记录了24个中微子第65页/共137页66震荡的中微子第66页/共137页67型超新星II第67页/共137页68 （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。第68页/共137页69脉冲星的发现第69页/共137页70脉冲星与中子星第70页/共137页71 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 核第71页/共137页72中子星模型第72页/共137页73脉冲星模型第73页/共137页74蟹状星云中的脉冲星(中子星)第74页/共137页75 （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”第75页/共137页76双星天鹅座X双星第76页/共137页77第77页/共137页78型超新星I第78页/共137页79第79页/共137页80天狼星B 在赫罗图上的演化轨迹第80页/共137页81不同质量恒星的演化第81页/共137页82 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；第82页/共137页83第83页/共137页84宇宙元素分布规律第84页/共137页85 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。第85页/共137页86 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 第86页/共137页87 4：16O（、）5：20Ne（、）6：24Mg（、）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第87页/共137页88 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)(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 n(np)-第88页/共137页89现代炼金术第89页/共137页90第90页/共137页91富勒球C60第91页/共137页92克罗托与富勒烯第92页/共137页93第93页/共137页94第94页/共137页95 总结：元素的起源-原子核演化 .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：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之后所有元素第95页/共137页96 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。第96页/共137页97 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.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。第97页/共137页98 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=3000m 地球黑洞：S=0.85m第98页/共137页99史瓦西半径第99页/共137页100 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。第100页/共137页101黑洞的两种时间第101页/共137页102黑洞拉引第102页/共137页103黑洞附近的时空弯曲第103页/共137页104吸入黑洞第104页/共137页105 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、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.黑洞旋转电机模型第105页/共137页106黑洞无发第106页/共137页107黑洞无发第107页/共137页108第108页/共137页109黑洞吸积电机模型第109页/共137页110 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。第110页/共137页111黑洞辐射第111页/共137页112黑洞辐射第112页/共137页113超越时空(Star Trek)第113页/共137页114 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。第114页/共137页115 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.宇宙黑洞第115页/共137页116第116页/共137页117双星黑洞:天鹅座X-1第117页/共137页118加尔各答黑洞与银河系中心黑洞第118页/共137页119“钱德拉号”发现发声黑洞第119页/共137页120两种黑洞:静止的和旋转的第120页/共137页121星系黑洞第121页/共137页122观测黑洞第122页/共137页123看到黑洞第123页/共137页124黑洞的引力透镜效应第124页/共137页125 宇宙黑洞第125页/共137页126时空隧道第126页/共137页127时空隧道第127页/共137页128第128页/共137页129利用黑洞能量第129页/共137页130第130页/共137页131 恒星世界总结：恒星演化的三种结局 天体演化的临界质量第131页/共137页132恒星的演化第132页/共137页133两类恒星的演化第133页/共137页134第134页/共137页135不同质量恒星的演化第135页/共137页136第136页/共137页137感谢您的观看！第137页/共137页