天体与地球第三章恒星教学提纲.ppt
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1、天体与地球第三章恒星 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望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 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
2、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 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
3、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-1.46;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45恒星的距离和亮度恒星的距离和亮度6视视星星等等与与绝绝对对星星等等78 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(
4、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: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。9 (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 蓝白黄红蓝白黄红 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;577
5、0K;矮星矮星 织女(天琴座织女(天琴座星)星)AOV:白色: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10恒恒星星光光谱谱型型11 (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)(
6、中子星)(中子星)12恒恒星星的的体体积积与与密密度度13 (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。14三角视差法测距三角视差法测距15 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系内的造父变星与银河系内的
7、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。16量量天天尺尺造造父父变变星星17造父变星的周光关系造父变星的周光关系18 二、赫二、赫 罗罗 图图 1.赫罗图
8、: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
9、度越低;寿命越短密度越低;寿命越短19赫赫 罗罗图图20赫赫罗罗图图和和它它的的发发明明者者21主序星的排序与寿命主序星的排序与寿命22 (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
10、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。23赫赫 罗罗 图图24赫赫 罗罗 图图25 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
11、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26蟹蟹状状星星云云27马头星云马头星云28礁湖星云礁湖星云29恒星产房恒星产房30太太阳阳们们的的摇摇篮篮-冷冷的的暗暗星星云云3146亿年前太阳系的诞生亿年前太阳系的诞生32双恒星双恒星33 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-
12、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;恒星动态平衡:恒星动态平衡:释能释能=引力引力 34恒星太阳的形成恒星太阳的形成35太太阳阳系系的的诞诞生生36 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2.(1)热核聚变原理(贝特理论)热核聚
13、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-太阳寿命太阳寿命100亿年亿年37 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 38质子质子-质子反
14、应质子反应39热核聚变原理(贝特理论)热核聚变原理(贝特理论)41H 4 He40 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 14N (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41碳碳氮氮氧氧循循环环反反应应42 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)
15、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。43 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
16、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,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44镜像法则镜像法则45 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
17、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46 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
18、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.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47双双层层太太阳阳48太太阳阳的的晚晚年年49太太太太阳阳阳阳在在在在赫赫赫赫罗罗罗罗图图图图内内内内的的的的演演演演化化化化轨轨轨轨迹迹迹迹50太太阳阳在在赫赫罗罗图图上上的的演演化化轨轨迹迹51太阳的一生太阳的一生52白白矮矮星星53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54 3.极小质量恒星(极小质量恒星(0.5M日日)的演
19、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。55 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 (
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