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

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。

食变星： 其亮度变化是由于双星相互绕转时发生交食现象而引起的，即前面说的食双星。 （英仙座β（大陵五）魔星）

脉动变星： 恒星体积发生周期性膨胀和收缩而引起光度的变化，膨胀时光度变大；收缩时光度变小。

爆发变星： 星体爆发现象而引起光度变化。 新星： 爆发变星中，亮度在很短时间内（几小 时或几天）突然剧增，然后减弱的恒星。（光度可增加9个等级） 超新星： 爆发规模特别大的变星。光度变幅超过17个等级。即亮度可增强到原来的几千万倍甚至近万万倍。（蟹状星云）

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。

例 1: 不同波段的太阳影像 光学 紫外 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。

赫罗图（HR-diagram ）

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

恒星的光谱类型 光谱类型 颜色 平均温度（开氏温度） 熟悉的示例 O 蓝-紫 30,000 参宿三（delta Orionis） B 蓝-白 20,000 参宿七、角宿一 A 白色 10,000 织女星、天狼星 F 黄-白 8,000 老人星、南河三 G 黄色 6,000 太阳、五车二 K 橙色 4,000 大角星、毕宿五 M 红-橙 3,000 心宿二、参宿四

根据发光度对恒星进行分类 等级 说明 熟悉的示例 Ia 明亮的超巨星 参宿七、参宿四 Ib 超巨星 北极星、心宿二 II 明亮的巨星 参宿三（delta Orionis） III 巨星 大角星、五车二 IV 亚巨星 牵牛星、Achenrar（南半天球的一颗恒星） V 主序 太阳、天狼星 未分级 白矮星 天狼伴星、南河三伴星

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

恒星的演化

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。

恒星的一生

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 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。

大质量恒星的壮烈死亡——超新星

       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。

人类——超新星残骸的组装品

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。

簡易觀星指法

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。

物质的层次结构（微观、宏观和宇观）