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1、宇宙结构和恒星演化,一、宇宙的结构,太阳系,银河系和河外星系,宇宙,地球和月球,问题一：在地面上我们是如何知道大地是球状的？,月食时地球投到月亮上的影子是圆形的,船只没入海时，渐渐没入地平线，最后完全消失在地球弧线下方,北方中午时分的太阳在天空的位置较低,问题二：我们怎样知道地球在旋转？,恒星的周日视运动,问题三：月球为什么总是以同一个面对着地球？,问题四：月球背对地球的那一面为什么比面向地球那一面更加粗糙不平？,问题五：月球的存在对地球有什么影响？,月球成因的猜想：,太阳和太阳系,问题一：太阳的能量从何而来？,问题二：太阳系有着怎样的结构？,银河系和河外星系,椭圆星系,棒旋星系,旋涡星系,宇
2、宙,天文学家把所有的空间及其中的万物定义为宇宙。目前人类最远能看到150亿光年以外的天体，这是目前人类所能观测到的最大宇宙范围。在大尺度上（亿光年以上的结构）看，宇宙物质的分布是均匀的。,宇宙的起源,我们观察到的宇宙究竟是怎样一幅图景？,一张迄今为止最为精细的宇宙“婴儿期”照片，对137亿年前的宇宙作出了富含大量细节的图像描述。照片来自于太空中的“威尔金森微波各向异性探测器”,二、恒星的演化过程,恒星：,像太阳一样，所有的恒星都是炽热的巨大的发光气体球。恒星大多由氢构成，由核聚变产生能量。太阳只是一颗中等亮度的恒星。,恒星的分类,天文学家根据恒星的物理特征来分类，用来分类的主要特征是：恒星的体
3、积、温度和亮度恒星按体积又大到小可分为：超巨型、巨星、中型星（太阳）、白矮星、中子星。,中行星(太阳),白矮星,中子星,巨星,超巨星,恒星颜色、温度和亮度的一些关系(P80),恒星离我们的距离如何测定？,我们怎样知道恒星的组成物质？,光谱分析,星云,原恒星（幼年）,主序星（青壮年）,红巨星或超红巨星（中老年）,白矮星（小质量恒星),中子星或黑洞（大质量恒星）,恒星的寿命取决于它的质量,恒星的诞生,在星际空间普遍存在着极其稀薄的物质，主要由气体和尘埃构成。它们的温度约10100K，密度约10-2410-23g/cm3，相当于1cm3中有110个氢原子。星际物质在空间的分布并不是均匀的，通常是成块
4、地出现，形成弥漫的星云。星云里3/4质量的物质是氢，处于电中性或电离态，其余约1/4是氦以及极少数比氦更重的元素。在星云的某些区域还存在气态化合物分子，如氢分子、一氧化碳分子等。如果星云里包含的物质足够多，那么它在动力学上就是不稳定的。在外界扰动的影响下，星云会向内收缩并分裂成较小的团块，经过多次的分裂和收缩，逐渐在团块中心形成了致密的核。当核区的温度升高到氢核聚变反应可以进行时，一颗新恒星就诞生了。,Eagle星云恒星正在这里形成,恒星的演化：主序星红巨星与超红巨星,主序星（恒星的青壮年）恒星以内部氢核聚变为主要能源的发展阶段就是恒星的主序阶段。处于主序阶段的恒星称为主序星。主序阶段是恒星的
5、青壮年期，恒星在这一阶段停留的时间占整个寿命的90%以上。这是一个相对稳定的阶段，向外膨胀和向内收缩的两种力大致平衡，恒星基本上不收缩也不膨胀。恒星停留在主序阶段的时间随着质量的不同而相差很多。质量越大，光度越大，能量消耗也越快，停留在主序阶段的时间就越短。例如：质量等于太阳质量的15倍、5倍、1倍、0.2倍的恒星，处于主序阶段的时间分别为一千万年、七千万年、一百亿年和一万亿年。目前的太阳也是一颗主序星。太阳现在的年龄为46亿多年，它的主序阶段已过去了约一半的时间，还要50亿年才会转到另一个演化阶段。与其他恒星相比，太阳的质量、温度和光度都大概居中，是一颗相当典型的主序星。主序星的很多性质可以
6、从研究太阳得出，恒星研究的某些结果也可以用来了解太阳的某些性质。,红巨星与超红巨星（恒星的中老年）,当恒星中心区的氢消耗殆尽形成由氦构成的核球之后，氢聚变的热核反应就无法在中心区继续。这时引力重压没有辐射压来平衡，星体中心区就要被压缩，温度会急剧上升。中心氦核球温度升高后使紧贴它的那一层氢氦混合气体受热达到引发氢聚变的温度，热核反应重新开始。如此氦球逐渐增大，氢燃烧层也跟着向外扩展，使星体外层物质受热膨胀起来向红巨星或红超巨星转化。转化期间，氢燃烧层产生的能量可能比主序星时期还要多，但星体表面温度不仅不升高反而会下降。其原因在于：外层膨胀后受到的内聚引力减小，即使温度降低，其膨胀压力仍然可抗衡
7、或超过引力，此时星体半径和表面积增大的程度超过产能率的增长，因此总光度虽可能增长，表面温度却会下降。质量高于4倍太阳质量的大恒星在氦核外重新引发氢聚变时，核外放出来的能量未明显增加，但半径却增大了好多倍，因此表面温度由几万开降到三、四千开，成为红超巨星。质量低于4倍太阳质量的中小恒星进入红巨星阶段时表面温度下降，光度却急剧增加，这是因为它们外层膨胀所耗费的能量较少而产能较多。预计太阳在红巨星阶段将大约停留10亿年时间，光度将升高到今天的好几十倍。到那时侯，地面的温度将升高到今天的两三倍，北温带夏季最高温度将接近100。,恒星的归宿：与其质量有关,现代恒星演化理论认为：如果一颗恒星的质量比太阳的
8、质量大得多（12100被太阳质量），它最终将猛烈地爆发成一颗超新星，使星际气体中淋透了在该恒星核反应中曾产生的所有元素的混合物，并成为组成下一代恒星的原料（这一过程我们称为超新星爆炸）。太阳里所含有的许多元素，地球上岩石的组成等可能来源于此。有些恒星在其演化的后期也会发生不太壮观的变化和喷射，如造父变星、行星状星云以及新星等。新星不太激烈的爆发，可能是由于在一个双星系统中两星间质量的交换所形成的。,在爆发和损失质量后，恒星的最终归宿有以下三种：,质量不大于太阳1.4倍的恒星将成为一颗白矮星，这种星具有很高的密度（每立方厘米105107克），以致于电子是简并态的（被压的挤在一起了），但星球的直径
9、只有几千公里（像地球一样大）。质量在1.4至3倍太阳质量的恒星将成为一颗中子星，星体中的质子和电子结合成为中子，其密度更高（外层：每立方厘米10111014克，核心：每立方厘米1016克），中子处于简并态。一个黑洞，在黑洞中，恒星的物质收缩到如此高的密度，以致于光线不再能从其中逃逸出来。在大于3被太阳质量的恒星中，简并压力不足以支持星对于盈利的抗衡，因此，如果跟大质量的恒星在其爆发过程中不能喷洒出它的大部分质量的话，最终必将成为黑洞。,黒洞,大质量恒星的死亡中子星或黑洞,大质量恒星经过一系列核反应后，形成重元素在内、轻元素在外的洋葱状结构，其核心主要由铁核构成。此后的核反应无法提供恒星的能源，
10、铁核开始向内坍塌，而外层星体则被炸裂向外抛射。爆发时光度可能突增到太阳光度的上百亿倍，甚至达到整个银河系的总光度，这种爆发叫做超新星爆发。超新星爆发后，恒星的外层解体为向外膨胀的星云，中心遗留一颗高密天体。金牛座里著名的蟹状星云就是公元1054年超新星爆发的遗迹。超新星爆发的时间虽短不及1秒，瞬时温度却高达万亿K，其影响更是巨大。超新星爆发对于星际物质的化学成分有关键影响，这些物质又是建造下一代恒星的原材料。超新星爆发时，爆发与坍塌同时进行，坍塌作用使核心处的物质压缩得更为密实。理论分析证明，电子简并态不足以抗住大坍塌和大爆炸的异常高压，处在这么巨大压力下的物质，电子都被挤压到与质子结合成为中
11、子简并态，密度达到10亿吨/立方厘米。由这种物质构成的天体叫做中子星。一颗与太阳质量相同的中子星半径只有大约10千米。,从理论上推算，中子星也有质量上限，最大不能超过大约3倍太阳质量。如果在超新星爆发后核心剩余物质还超过大约3倍太阳质量，中子简并态也抗不住所受的压力，只能继续坍缩下去。最后这团物质收缩到很小的时候，在它附近的引力就大到足以使运动最快的光子也无法摆脱它的束缚。因为光速是现知任何物质运动速度的极限，连光子都无法摆脱的天体必然能束缚住任何物质，所以这个天体不可能向外界发出任何信息，而且外界对它探测所用的任何媒介包括光子在内，一贴近它就不可避免地被它吸进去。它本身不发光并吞下包括辐射在
12、内的一切物质，就象一个漆黑的无底洞，所以这种特殊的天体就被称为黑洞。黑洞有很多奇特的性质，对黑洞的研究在当代天文学及物理学中有重大的意义。,黒洞,在这些红色气体核心10光年范围聚集了50多颗恒星都是年轻而炽热的恒星,迄今为止发现的最年轻的行星状星云。在绿色环气体的中间是明亮的恒星，它的伴星在它点钟的方向。,球状星团中的白矮星是离地球最近的球状星团，47光年拥有超过颗恒星。从地面望远镜看来，那里有很多明亮的红巨星，所以哈勃把M4定为寻找白矮星的星团。,ngc3132行星状星云，位于南半球，一个死亡的恒星形成的,太空中的恒星爆发，紫红的双层气体外壳是恒星喷射出来的比好几个太阳质量还大。外层壳大约四
13、光年，接近太阳与比邻星的距离。该恒星位于人马座方向25000光年。因为它位于银河系中央，被厚厚的尘埃遮蔽，所以这张图片是红外线摄得。光度相当于10亿个太阳,恒星的一生,人类为什么要探索宇宙空间？花费巨大的宇宙探索值得吗？,宇宙的起源,本世纪，有两种“宇宙模型”比较有影响。一是稳态理论：稳态理论认为，宇宙在任何时候，平均来说始终保持相同的状态。,若干世纪以来，很多科学家认为宇宙除去一些细微部分外，基本没有什么变化。宇宙不需要一个开端或结束。即使是在发现宇宙正在膨胀之后，这种想法也没有被放弃。托马斯.戈尔德(Thomas Gold)，赫尔曼.邦迪(Herman Bondi)及弗雷德.霍伊尔(Fre
14、d Hoyle)于40年代后期提出，物质正以恰当的速度不断创生着，这一创生速度刚好与因膨胀而使物质变稀的效果相平衡，从而使宇宙中的物质密度维持不变。这种状态从无限久远的过去一直存在至今，并将永远地继续下去。宇宙在任何时候，平均来说始终保持相同的状态。稳态理论所要求的创生速率很小，每100亿年中，在一立方米的体积内，大约创生1个原子。稳态理论的优点之一是它的明确性。它非常肯定地预言宇宙应该是什么样子的。也正因如此，它很容易遭受观测事实的质疑或反驳。当宇宙背景辐射被发现后，这一理论基本上已被否定。,1948年，美国的物理学家伽莫夫提出了宇宙大爆炸学说。他认为：我们所观测到的宇宙始于150亿年前的一
15、次爆炸性事件。爆炸之初，宇宙是一个极高温、高密度的“辐射地狱”，物质只能以质子、中子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成通常的气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们现在所看到的宇宙。,二是宇宙大爆炸理论：,1、20年代后期，爱德温哈勃(Edwin Hubble)发现遥远星系的光波“变长”了（即红移现象），哈勃大胆推论，遥远星系光波变长是由于“宇宙在膨胀”，因为发光恒星在后退时光速不变的话，我们收到的光的波长就会大于原来的值。2、60年代中期，美国的射电
16、天文学家阿尔诺彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特威尔逊(Robert Wilson)探测到了弥漫全宇宙空间的微波背景辐射，这种辐射以相同的强度从空间的各个方向射向地球。它的光谱线与炽热熔炉内的发光情况完全符合。所以很多科学家认为背景辐射只能解释为宇宙大爆炸的直接遗迹，是大爆炸散落的残余辐射由于宇宙膨胀冷却所具有的。此外，大爆炸理论 曾预言了今天的宇宙应当大约有76%的氢和24%的氦组成，这一预测与目前对太阳和其他天体物质的观测结果是相当吻合的。虽然宇宙大爆炸说有观测的支持，但它还有很多难以解决的问题。比如：爆炸前宇宙是什么样子？大爆炸的能量来自哪里？所以这还不是最后的定论。,宇宙大爆炸理论的两大证据；,
