陳俊霖 2007-08年度中大天文學會會長 中大物理系天文年天文推廣計劃統籌 太子@天文園 宇宙中不同天體的簡介 陳俊霖 2007-08年度中大天文學會會長 中大物理系天文年天文推廣計劃統籌 太子@天文園

概覽 恆星生成 恆星系統 - 恆星 - 行星 - 衛星 - 彗星和小行星 恆星演化 - 白矮星 - 中子星 - 黑洞

恆星之生成 星雲因萬有引力而收縮成原恆星(protostar) star-disk systems in Orion's Trapezium NGC 602 CREDIT: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA) – ESA/Hubble Collaboration

恆星之生成 – 太陽為何發光發熱? 收縮 -> 密度上升 -> 原恆星中心發生核聚變 4顆氫 核聚變發生 -> 恆星正式形成(主序星) 反應方程: 4質子 -> 1氦 + 2正電子 + 2中微子 質能互換方程: 核聚變產生巨大能量 4顆氫 1顆氦

恆星之生成 向外的壓力(如粒子的熱運動壓力) vs 重力 兩者平衡 -> 達到靜流體平衡(hydrostatic equilibrium) 恆星保持穩定

恆星系統 原行星盤中心 -> 恆星 原行星盤外圍 -> 行星

恆星系統

恆星結構(以太陽為例) 不同質量恆星有不同結構 大致可分為 - 核心 - 輻射層 - 對流層 外層仍包括 - 光球層 - 日冕 米粒組織

恆星結構(以太陽為例)

恆星壽命 100億年 主序星的壽命由質量決定 當核聚變的原料(氫/氦)用盡，恆星就結束主序星生涯 估計太陽壽命: -假設(a) 100%質子 - 質子反應 (b)聚變在核心發生，質量為0.1Ms (c) 反應輸出功率不變 (1). 每個反應放出的能量為: E=(MHe-4MH)(c^2)=4.283x10^-12 J (2). 參與反應的質子數量=0.1Ms/質子質量 =1.2x10^56 (3). 反應總數 =參與反應的質子數量/一次反應的質子數量=3.01x10^55 (4). 已知太陽的光度為3.862X10^26W (5). 太陽壽命= 能量/光度 = (1)x(3)/(4)=3.33x10^17 s=1x10^10 yrs 100億年

行星 固體行星 (c) (b) (a) (d)

行星 氣體行星 (b) (a) (c) (d)

行星 定義 – 於2006年由國際天文聯會決定 1. 行星為一天體而 (a)圍繞一恆星運轉 (b)有足夠質量去達成靜流體 平衡令星體重力大於本身的剛體力，令星體約為圓形 (c)清除其軌道 的其他天體 2. 矮行星為一天體而(a)圍繞一恆星運轉 (b)有足夠質量去達成靜流 體平衡令星體重力大於本身的剛體力，令星體約為圓形 (c)不能清除 其軌道的其他天體

衛星 行星 衛星數量(12/5/09) 火星 2 木星 63 土星 60 天王星 27 海王星 13 主要為圍繞行星公轉的天體 亦可為圍繞小行星公轉的天體 243 Ida and its moon Dactyl 行星 衛星數量(12/5/09) 火星 2 木星 63 土星 60 天王星 27 海王星 13

彗星和小行星

彗星和小行星 2007年爆發的一顆彗星 - 17P/Holmes

彗星和小行星

近地小行星 http://www.spaceweather.com/ 資料日期 數量 最近地球日期 小行星名稱 LD為地球和月亮的平均距離

恆星演化(不考慮質量<0.4倍太陽質量的低質量行星) 1. 當恆星的原料短缺 -> 核聚變減緩 -> 熱壓力下降 2. 重力比壓力大 -> 令星體收縮 3. 中心外圍未進行聚變的氫原子發生劇烈的聚變 -> 光亮上升 4. 外層能量上升 -> 外層膨脹 5. 外層膨脹令外層溫度下降 6. 紅巨星生成 哈勃太空望遠鏡拍攝的紅巨星

恆星演化 如重力夠大，核聚變一直進行直至鐵的生成 氫 -> 氦 -> 碳 -> 氧 -> 矽 -> 鐵 鐵不能再融合

白矮星- 中、低質量恆星的終結(0.4Ms<M<1.4Ms) 電子簡併壓力抵抗重力 密度很高 ~將太陽壓成地球大小 密度為水的百萬倍以上 慢慢放出熱輻射而冷卻 最終成為黑矮星 天狼星 天狼星B 右圖為哈勃太空望遠鏡拍攝，位於球狀星團(M4)內的白矮星

白矮星

白矮星

中子星- 高質量恆星的終結(1.4Ms<M<4Ms) 重力大過電子簡併壓力 => 電子和質子結合成中子 中子簡併壓力防止核心繼續收縮 中子形成後，核心變得非常堅硬 原來下榻的物質撞到硬核後反彈 向外產生強烈的衝擊波 超新星爆炸 中子星殘留在爆炸中心 M1:超新星爆炸殘骸

中子星 密度~10^17 kg/m^3 ~將太陽壓成一個城市 表面重力極高 -> 表面非常光滑 角動量守恆 -> 自轉速度極快 msrsvs= mnrnvn 如太陽變成中子星 rs=6.96x10^8m -> rn=10000m 太陽自轉速度平均約為vs=2000ms^-1 假設ms = mn，可得出vn=1.4X10^6ms^-1 =>每轉一圈需時0.045秒 -> 1秒轉22個圈! 注:太陽的質量不足以成為中子星，要成為中子星需最少有1.4Ms 問題: 1.4Ms的中子星每秒可以轉多少個圈?

中子星

脈衝星 中子星表面亦有帶電粒子 -> 高速自轉令中子星有強大磁場 在南北磁極會放出脈衝

黑洞

黑洞 任何物體要逃離一個天體的引力場的條件: 速度 >天體的逃逸速度 光的速度為3x10^8ms^-1 如光的速度低於天體的逃逸速度 -> 光不能離開該天體 -> 黑洞 黑洞的半徑為: 這個半徑的表面定義為黑洞的事件穹界 如果太陽變成黑洞… r = 3km 如果您變成黑洞…M=50kg r=?

黑洞 當中子簡併壓力都不足以抵抗重力 -> 核心不斷收縮 理論上已經再沒有東西可以抵抗重力 -> 核心變成無限細?(奇點) 任何物體在事件穹界內都不能夠逃出來 原因:任何物體的速度都不能高於光速 黑洞內及其附近的環境需以廣義相對論描述 遠離黑洞則仍然可以牛頓力學描述 問題: 如太陽變成黑洞，地球會掉下去嗎?

黑洞 問題: 黑洞是黑色的，怎麼找? 黑洞在吸食附近物質時，會放出強烈X射線 -> 方法一: 尋找天上強烈的X射線源 天鵝座X-1源 畫家筆下的吸積盤

黑洞 黑洞的重大引力場會令附近的光線彎曲 方法二: 重力透鏡 模擬當黑洞經過星系平面，重力透鏡作用 令後方來的光線繞過黑洞 遠方天體的光線受中間強大質量的天體影響而彎曲

黑洞 黑洞不可見，但其重力仍然影響其他天體 方法三: 尋找其他天體圍繞一看不到的天體運轉 -> 銀河系中心的黑洞

伽傌射線暴 28/4/2009 – 伽傌射線爆發 -> 宇宙最強的能量源 迄今最遙遠的宇宙信息 來自130億光年遠 可能是黑洞形成前所發射