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天文知识普及 第二讲. 恒星世界. 星星究竟是什么 大部分是恒星,能够自身发光发亮; 少数是行星,反射太阳光。 如何度量星星之间的距离? 光年: 1 光年= 9.46 万亿千米 秒差距: 1 秒差距= 3.26 光年. 亮度 —— 星等. 视星等 公元前 2 世纪古希腊天文学家喜帕恰斯首先提出星等概念,他把看到的恒星按亮度分成 6 等,最亮的 1 等,最暗的 6 等。 1 等星的亮度=距离 1 公里远的 1 烛光的亮度. 更精确的星等
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天文知识普及 第二讲
恒星世界 • 星星究竟是什么 大部分是恒星,能够自身发光发亮; 少数是行星,反射太阳光。 • 如何度量星星之间的距离? 光年:1光年=9.46万亿千米 秒差距: 1秒差距=3.26 光年
亮度——星等 • 视星等 公元前2世纪古希腊天文学家喜帕恰斯首先提出星等概念,他把看到的恒星按亮度分成6等,最亮的1等,最暗的6等。 • 1等星的亮度=距离1公里远的1烛光的亮度
更精确的星等 1850年英国天文学家普(N.R.Pogson)经过研究并用仪器精密测定,把星等概念科学定量化:星等相差5等,亮度差为100,即星等差1等,亮度之比为2.512倍。 为了精确,又引入了小数星等和负数星等。如天狼星是-1.4等,织女星是0.0等,轩辕十四是1.4等。 • 肉眼可见的6等以上恒星全天约为6000颗。
星体 目视星等 绝对星等 太阳 -26.7 4.8 月球 -13 不适用 (满月) 金星 -4.6 不适用 (最亮时) 天狼星 -1.45 1.43 (全天最亮恒星) 织女星 0.03 0.5 牛郎星 0.77 2.19
随着距离增加,相同面积上接收到的能量在减少随着距离增加,相同面积上接收到的能量在减少
绝对星等-光度 • 恒星的照度与距离 • 平方成反比: • E1 /E2=(r2 /r1)2 • 把天体都放到10秒差距(32.6光年)处,其目视星 • 等叫做绝对星等; • 把一颗恒星放在不同距离上,其视星等不同 • m1(r1)-m2(r2)=2.5×lg(E2/E1) • r1=10秒差距; m1=M; r2和 m2 为恒星实际值 • M= m+ 5- 5lg r
视星等和绝对星等的关系 • M= m+ 5- 5lg r • M 绝对星等,m 视星等,r 距离 • 天狼星的视星等是-1.45等,距离为2.7秒差距,绝对星等+1.5等 • 太阳离我们最近,光辉夺目,它的目视星等达到-26.7等,绝对星等才只有+4.83等.
变星、新星、超新星 大多数恒星的光度是稳定的,有些恒星的光度在短时期内会发生明显的、特别是周期性的变化。这样的恒星称变星。 变星可分为:食变星、脉动变星、爆发变星。 脉动变星和爆发变星又叫物理变星。它们的亮度变化是由于恒星内部或其大气物理状况所致。
恒星的运动 恒星的自行: 恒星的空间速度可分两个分量: 视向速度和切向速度。 前者是沿观测者的视线的分量 (离观测者远去为正,接近为负); 后者是同视向速度相垂直的分量, 它表现为恒星在天球上的位移, 叫做自行。(北斗星的形状变化)
恒星的颜色 温度高偏蓝,温度低偏红
韦恩定律 • 黑体辐射谱中,产生最大辐射量的波长和黑体温度的乘积为一常数 λmax= 0.29/T(cm)
同一天体的不同波段的辐射来自不同(温度)的区域和物理过程。同一天体的不同波段的辐射来自不同(温度)的区域和物理过程。
光学 紫外 例 1: 不同波段的太阳影像 射电 X射线
例2: M81 光学 中红外 远红外 X射线 紫外 射电
史提芬—波尔兹曼定律 • 物体发射电磁波强度大小,与物体的表面温度高低有关。 • 恒星温度越高,能量释放越快,寿命越短。
恒星的多样性 • 光谱型 :O、B、A、F、G、K、M • 光度级:超巨星、亮巨星、巨星、亚巨星、主序星(或矮星)、亚矮星、白矮星 • 恒星的质量:0.05~150 Msun • 恒星的直径:10-3~103 Rsun
主序星的质量与光度关系 Lstar/Lsun=(Mstar/Msun)3.5 • 主序星的生命期 tstar/tsun=1/(Mstar/Msun)2.5
恆星的演化(Stellar Evolution) ● 太空中的氣體與塵埃受萬有引力作用聚集,因重力收縮使其溫度和密度逐漸上昇,當中心溫度高到足以點燃核融合反應時,恆星乃告誕生 ● 它生命中大部分的歲月是將氫融合成氦,釋出大量熱能,使向外膨脹的熱壓力抵消重力,成為一顆穩定的恆星 ● 到了靠中心的氫耗盡後,氫融合逐漸移至外層發生,使恆星突然膨脹,表溫下降成為紅巨星 ● 後來星體再次因收縮溫度升高使核心進行氦融合成碳的核反應,質量與太陽相近或較小的恆星,在中心的氦耗盡後就不能再產生能量,僅輻射儲存之熱能,溫度逐漸冷卻而成白矮星 ● 比太陽重得多的恆星,繼續進行核反應至中心融合成鐵才停止,由於重力太大又無法再產生核能,恆星乃急速收縮,此時部分能量會反彈將外層炸掉,爆炸時光度劇增,成為極亮的超新星,爆炸後之中心殘骸繼續崩潰收縮形成中子星 ● 而質量更重的恆星在形成中子星後仍繼續收縮,因大量物質集中,重力強至連光都無法逸出,形成黑洞 →而被炸散的物質回到星際空間的雲氣中,成為下一代星球形成的原料物質。
红巨星乃恒星的老年状态,恒星內部的核融合将氢结合成氦、氦合成碳、碳合成氧...…直至产生铁后,便不能再进行核融合。核融合变少,恒星温度下降,使恒星收缩。收缩后,又因收缩产生热力,恒星再次膨胀。恒星就如此落入重力与热力的竞争中。后期因铁核增大,膨胀收缩的幅度上升,形成称为变星的光度脉动星体。红巨星乃恒星的老年状态,恒星內部的核融合将氢结合成氦、氦合成碳、碳合成氧...…直至产生铁后,便不能再进行核融合。核融合变少,恒星温度下降,使恒星收缩。收缩后,又因收缩产生热力,恒星再次膨胀。恒星就如此落入重力与热力的竞争中。后期因铁核增大,膨胀收缩的幅度上升,形成称为变星的光度脉动星体。 • 热力与重力的抗争 • 红巨星的终结会因质量的不同而有不同的结果: • 质量为太阳三倍以下,会形成白矮星。 • 质量为太阳三倍以上,则形成超新星。 热力与重力的抗争
白矮星为小质量恒星的死亡方式。在红巨星阶段,气体层散发后,剩下的散发淡光的铁核,这就是白矮星。白矮温度很高,质量也大,一立方厘米约为十个人的质量量,大小如同地球。白矮星为小质量恒星的死亡方式。在红巨星阶段,气体层散发后,剩下的散发淡光的铁核,这就是白矮星。白矮温度很高,质量也大,一立方厘米约为十个人的质量量,大小如同地球。 白矮星最后会因能量散失(主要是光)而变为暗淡无光的黑矮星。
超新星为大质量恒星的死亡方式。恒星因铁核质量过大,膨脹收缩激烈,铁核因重力使质子与电子结合,形成中子核和放出微中子。气体层收缩,引擎核心造成向外的引擎波,气体层爆发,造成超新星。超新星为大质量恒星的死亡方式。恒星因铁核质量过大,膨脹收缩激烈,铁核因重力使质子与电子结合,形成中子核和放出微中子。气体层收缩,引擎核心造成向外的引擎波,气体层爆发,造成超新星。 超新星的残骸 超新星虽是一个恒星的死亡,但同时造就很多恒星的诞生。超新星造成的向外引擎波,使气体云压缩,形成原始星。
中子星是超新星爆炸后遗留的恒星核心,由中子构成,密度为水的10~14(10的14次方)倍,仅一立方厘米的质量就足有全球人类那么重,大小仅为三十公里。 中子星的两个強大磁极,带动四周带电粒子运行,放出电波。亦因自转轴与磁极不平行,电波因而呈圆周放射。地球便接收到一连串脉动信号,因此中子星亦称为脉冲星。 周期很短,最长为4.3s,最短只有0.0016s,且十分稳定
脉冲星、中子星 20世纪60年代,天文学家发现一种新型变星,它有规律的发出射电脉冲讯号,取名脉冲星。其周期很短,最长为4.3s,最短只有0.0016s,且十分稳定。平均周期0.033s。 天体能发出如此快速稳定地发射脉冲讯号,唯一的可能是恒星自转。如此疯狂的自传,连白矮星那样致密的天体也会分崩离析。它只能人们早已预言的中子星。 中子星由中子组成,是由于恒星演化到晚期,能量耗竭,若经引力坍塌,其剩余质量大于某一极值时,电子运动都不能抗衡原子核吸引力,继续坍塌,形成大量自由电子,致使恒星密度很大,体积很小,形成中子星。
恒星的命名 • 一般采用星座名称加上拉丁字母(希腊字母),拉丁字母的顺序与星座内的恒星亮度相对应。当24个字母用完之后,就用数字代替字母,通常数字是按恒星的赤经依次排列的。 (如:天瓶座α、大熊座β、天鹅座61 )
恒星集团 • 恒星有集群的趋向。 • 最简单的恒星系统是两颗相互绕转的双星,质量大的是主星,质量小的是伴星。两子星之间除引力作用之外,还有更密切的物理联系,比如物质交换。 • 有两颗以上恒星组成的恒星集团称为聚星,也成为多合星。 • 当在一起绕转的恒星超过十颗时称为星团。星团成员对于周围的场星通常有整体的运动。星团分为球状星团和疏散星团。疏散星团成员星比较少,在十几到几百颗之间,外形不规则,大多分布在银道附近。球状星团是银河系中恒星分布最密集的地方,这里恒星分布的平均密度比太阳附近恒星分布的密度约大50倍,中心密度则大到1000倍左右。球状星团成员星通常达几万到上千万颗,形状规则。在业已发现的约121个球状星团中,约有30个在人马座中(银心),其余的分布在银河系边缘,围绕银心形成形成一个近乎球状的晕轮。球状星团的年龄一般要疏散星团的年龄大得多。
NGC5139 is also known as Omega Centauri, the largest and brightest globular in our skies.
银河系和星系 • 星系是包含了几亿至几十亿颗恒星以及无数双星、聚星、星团的庞大恒星系统。太阳所在的星系成为银河系。 • 河外星系按形态大致分为旋涡星系、棒旋星系、椭圆星系和不规则星系。银河系是一个漩涡星系。
星系 数量众多,形态各异
星系集团 • 星系也有结团的现象,其结团的倾向比恒星更为强烈,在已发现的数十亿个河外星系中,很少是单独存在的。 • 两个互相有联系的星系成为双重星系,三五个或十来个在一起运动的星系称为多重星系,而10~100个星系组成的星系集团称为星系群。
星系和暗物質 • 物體轉動有多快,取決於它軌道內有多少物質。如果所有物質都看得見,那麼近銀河系邊沿的恆星軌道速度,便按照以上的紅線分佈。 • 不過,我們發現恆星移動得比預期的快,根據開普勒定律,當中的物質必須比我們所看到的更多。 • 額外的物質稱為暗物質,因為他們不會放出電磁波,揭示它們是以重力的形式存在。 • 1970年代,維拉魯賓和她的同工發現了這件事。她測量傾角(inclination angle)大約為0°的旋渦星系的多普勒頻移,測定了星系的旋轉曲線。
紅移和宇宙 • 維斯特·斯里弗測量紅移,因此也測量了星系的徑向速度。 • 哈勃測量距離、星系。結合徑向數據,他發現哈勃定律:v = H d • 哈勃常數 H 最為接受的數值大約是 70 km/s/Mpc. • 哈勃定律指出,離我們愈遠的星系,遠離我們的速度愈快。宇宙的膨脹可解釋這事。 • 注意這個宇宙紅移不是由於多普勒效應。星系遠離我們,是因為宇宙(空間-時間)本身在擴大,而不是因為星系在太空移動。 http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_law
問:暗物質和暗能量是什麼? 答:暗物質也是物質,但不放出或反射電磁輻射,以致不能讓人檢測。不過,重力掲示它的存在。暗能量是一個假設的真空能量,具有很強的負面壓力。它加速了空時的膨漲。 • 暗物質和暗能量的成分,我們知到的並不多。可直接看到的總能量密度只有4 % ;有 22 %是暗物質、74 %是暗能量。 • 暗物質成分尚未知道,但可能包括: • 重子暗物質:質子、中子組成的物質,如褐矮星、黑洞、黑色氣體雲。這些普通物質不足夠解釋失卻的質量。 • 非重子暗物質:如中微子、假設的基本粒子,如弱相互作用大質量粒子(WIMP)。非重子暗物質似乎構成暗物質的大部份。 • 暗物質也可能歸類為: • 熱暗物質:快速移動的粒子,如中微子。 • 冷暗物質:緩慢移動粒子/物體,如褐矮星。 • 暗能量的存在,相等於廣義相對論中有一個宇宙常數,有著「空間成本」的含義。
(三)天文新发现 60年代天文学的“四大发现”:类星体、3K微波辐射、星际有机分子和中子星。 (1)类星体既不是普通恒星和星云,也不是普通星系,而是一种新型的“类星射电源”。其最显著的特征是具有特大的谱线红移现象。其红移量达4.43( 一般河外星系最大的红移量不超0.5 ),所以该类星体便成为迄今所知的最遥远的天体。 (2)3K微波背景辐射是指宇宙空间在微波波段所发出的各向同性辐射,也称宇宙背景辐射。这个事实说明宇宙空间并不空,物质及其能量是普遍存在的,进一步的观测证明,在天空的各个方向上,都有绝对温度2.7K、强度近似相等的微波辐射。 (3)星际有机分子指存在于星际空间的有机分子,它的发现证明广漠的宇宙空间充满着物质,不仅有简单的无机物,还有复杂的有机物;把天体演化同生命起源问题联系起来,为生命起源的研究提供新的材料。