《天文學(xué)概論》 論文

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1、 天文學(xué)概論公共基礎(chǔ)選修課 論文題目：《淺談恒星的一生》 摘要：距離我們最近的恒星，太陽(yáng)，是我們地球生命循環(huán)的最原始動(dòng)力。無(wú)論地球本身的存在是那么的巧合，但是太陽(yáng)始終是驅(qū)動(dòng)著這個(gè)太陽(yáng)系的最原始的動(dòng)力，如果太陽(yáng)不亮了，那會(huì)怎樣？所以自古以來(lái)，人們就開(kāi)始觀察太陽(yáng)，了解我們的世界。通過(guò)科學(xué)家觀察天空所得，太陽(yáng)只是無(wú)數(shù)在天空中閃耀的恒星的其中之一。我們對(duì)宇宙和天空的探索，絕不僅僅止于了解太陽(yáng)。而是了解我們的宇宙，了解恒星，了解它的誕生和演變。 一、幼年篇 恒星最初誕生于太空中的星際塵埃，科學(xué)家形象地稱(chēng)之為“星云”或者“星際云”，其主要成分由氫組成，密度極小，但體積和質(zhì)

2、量巨大。密度足夠大的星云在自身引力作用下，不斷收縮、溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到1 000萬(wàn)度時(shí)其內(nèi)部發(fā)生熱核聚變反應(yīng)，核聚變的結(jié)果是把四個(gè)氫原子核結(jié)合成一個(gè)氦原子核，并釋放出大量的原子能，形成輻射壓，當(dāng)壓力增高到足以和自身收縮的引力抗衡時(shí)，一顆恒星誕生了。 恒星形成的初始階段幾乎完全被密集的星云氣體和灰塵所掩蓋。通常，正在產(chǎn)生恒星的星源會(huì)通過(guò)在四周光亮的氣體云上造成陰影而被觀測(cè)到，這被稱(chēng)為包克球。質(zhì)量非常小的原恒星溫度不能達(dá)到足夠開(kāi)始?xì)涞暮巳诤戏磻?yīng)，它們會(huì)成為棕矮星。質(zhì)量更高的原恒星，核心的溫度可以達(dá)到1,000萬(wàn)K，可以開(kāi)始質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)將氫先融合成氘，再融合成氦。在質(zhì)量略大于太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，

3、碳氮氧循環(huán)在能量的產(chǎn)生上貢獻(xiàn)了可觀的數(shù)量。新誕生的恒星有各種不同的大小和顏色。光譜類(lèi)型的范圍從高熱的藍(lán)色到低溫的紅色，質(zhì)量則從最低的0.085太陽(yáng)質(zhì)量到數(shù)十倍于太陽(yáng)質(zhì)量。恒星的亮度和顏色取決于表面的溫度，而表面溫度又由質(zhì)量來(lái)決定 二、 青年篇 主序星階段是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)期，此過(guò)程是恒星以?xún)?nèi)部氫氦聚變?yōu)橹饕茉吹陌l(fā)展階段，是恒星的 “青年時(shí)代” ， 也是恒星一生中最長(zhǎng)的黃金階段，占據(jù)了它整個(gè)壽命的 90%。這段時(shí)間， 恒星相對(duì)穩(wěn)定，向外膨脹和向內(nèi)收縮的兩種力大致平衡，恒星基本上不收縮也不膨脹， 并且以幾乎不變的恒定光度（ 所謂“ 光度” ， 就是指從恒星表面以光的形式輻射出的功率） 發(fā)光

4、發(fā)熱， 照亮周?chē)挠钪婵臻g。但在其內(nèi)部?jī)?nèi)部進(jìn)行著劇烈的氫核聚變?yōu)楹ず说姆磻?yīng)，核反應(yīng)產(chǎn)生的熱能全部用于熱和電磁輻射及微粒子輻射，恒星溫度不變，在主序上的位置也不變，在中心的氫耗盡時(shí) 逐漸形成一個(gè)不再產(chǎn)能的氦核 ，使其溫度不再改變即同溫，當(dāng)同溫氦核質(zhì)量達(dá)到恒星質(zhì)量的10%—15% 時(shí) ,同溫氦核開(kāi)始頂不住星體的自吸引氦核會(huì)猛烈坍縮 ,釋放出巨大的引力能。但是質(zhì)量越大的恒星在主序上停留的時(shí)間越短，1924年，愛(ài)丁頓發(fā)現(xiàn)：一個(gè)處在輻射平衡狀態(tài)的理想氣態(tài)球，其光度與質(zhì)量的3.5次方成正比。恒星的壽命＝燃料儲(chǔ)備/燃料消耗率，燃料儲(chǔ)備∝質(zhì)量，燃料消耗率∝光度。一般，質(zhì)量為M的主序星，壽命為1010年×M-2

5、.5。質(zhì)量大于60M⊙的恒星，在主序的生存期短于1010年×60-2.5 ，即3.6× 105年。 三、 中年篇 當(dāng)一顆恒星度過(guò)它漫長(zhǎng)的青壯年期——主序星階段，步入中年期時(shí)，它將首先變?yōu)橐活w紅巨星。稱(chēng)它為“巨星”，是突出它的體積巨大。在巨星階段，恒星的體積將膨脹到十億倍之多。它為“紅”巨星，是因?yàn)樵谶@恒星迅速膨脹的同時(shí)，它的外表面離中心越來(lái)越遠(yuǎn)，所以溫度將隨之而降低，發(fā)出的光也就越來(lái)越偏紅。不過(guò)，雖然溫度降低了一些，可紅巨星的體積是如此之大，它的光度也變得很大，極為明亮。肉眼看到的最亮的星中，許多都是紅巨星。紅巨星的外層大氣雖然在膨脹和冷卻,而它的星核卻由于引力而在收縮形成鏡像反應(yīng),核的密

6、度和溫度在不斷升高。當(dāng)星核溫度超過(guò)1億K時(shí),星核中的氫元素被點(diǎn)燃,發(fā)生以氦為原料的核聚變。在一些質(zhì)量較小的恒星上,氦的核聚變是突然發(fā)生的,即氦閃。 通常，當(dāng)恒星質(zhì)量大于4M⊙時(shí)，恒星可能會(huì)向紅超巨星轉(zhuǎn)化。在主星序末期，氫聚變的熱核反應(yīng)無(wú)法在中心區(qū)進(jìn)行，星體塌縮，溫度急劇上升。中心氦核溫度可高達(dá)1億度。此時(shí)恒星可發(fā)生兩種核反應(yīng)。其一是緊鄰中心氦核的氫氦混合氣體受熱后重新引發(fā)氫聚變，氫燃燒層會(huì)逐漸向外擴(kuò)展。其二是氦核處發(fā)生的三個(gè)氦原子聚變成一個(gè)碳原子的聚變反應(yīng)。由于兩種核聚變產(chǎn)生的巨大能量以及氫聚變向外擴(kuò)展的趨勢(shì)，恒星的半徑將比紅巨星又增大許多倍，表面溫度也由幾萬(wàn)度降至三四千度，成為紅超巨星。較

7、普通紅巨星而言，紅超巨星半徑要大的多，其用于外層膨脹所消耗的能量要多得多，因此紅超巨星的表面溫度會(huì)更低些。此階段過(guò)后，紅巨星會(huì)發(fā)生爆炸，將其外殼物質(zhì)拋散到宇宙空間中。大質(zhì)量恒星會(huì)發(fā)生猛烈的大規(guī)模爆炸，當(dāng)恒星爆炸時(shí)的絕對(duì)光度超過(guò)太陽(yáng)的100倍（中心溫度可達(dá)100億度），即新星爆發(fā)時(shí)光度的10萬(wàn)倍時(shí)，這種爆發(fā)就被稱(chēng)為超新星爆發(fā)。質(zhì)量小的恒星，中心溫度將不足以點(diǎn)燃氦聚變，它會(huì)在紅巨星階段停留很長(zhǎng)時(shí)間，但是總有一天它也會(huì)爆發(fā)。 四、晚年篇 紅巨星階段后。恒星進(jìn)入“晚年”。此時(shí)的恒星是很不穩(wěn)定的，總有一天它會(huì)猛烈地爆發(fā)。到那時(shí)，整個(gè)恒星將以一次極為壯觀的爆炸來(lái)了結(jié)自己的生命，把自己的大部分物質(zhì)拋射向

8、太空中，重新變?yōu)樾窃?，同時(shí)釋放出巨大的能量。這樣，在短短幾天內(nèi)，它的光度有可能將增加幾十萬(wàn)倍，這樣的星叫“新星”。如果恒星的爆發(fā)再猛烈些，它的光度增加甚至能超過(guò)1 000萬(wàn)倍以至萬(wàn)萬(wàn)倍，這樣的恒星叫做“超新星”。這就是天文學(xué)中著名的“超新星爆發(fā)”。經(jīng)過(guò)爆發(fā)后。超新星只留下一個(gè)高密度殘骸，而不再是一顆恒星了，中心留下的高密度天體，也許是白矮星，也許是中子星，甚至可能是黑洞。 五、 終局篇 白矮星是一種晚期的恒星。根據(jù)現(xiàn)代恒星演化理論，白矮星是在紅巨星的中心形成的。當(dāng)紅巨星的外部區(qū)域迅速膨脹時(shí)，氦核受反作用力卻強(qiáng)烈向內(nèi)收縮，被壓縮的物質(zhì)不斷變熱，最終內(nèi)核溫度將超過(guò)一億度，于是氦開(kāi)始聚變成碳。經(jīng)

9、過(guò)幾百萬(wàn)年，氦核燃燒殆盡，現(xiàn)在恒星的結(jié)構(gòu)組成已經(jīng)不那么簡(jiǎn)單了：外殼仍然是以氫為主的混和物；而在它下面有一個(gè)氦層，氦層內(nèi)部還埋有一個(gè)碳球。核反應(yīng)過(guò)程變得更加復(fù)雜，中心附近的溫度繼續(xù)上升，最終使碳轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?。與此同時(shí)，紅巨星外部開(kāi)始發(fā)生不穩(wěn)定的脈動(dòng)振蕩：恒星半徑時(shí)而變大，時(shí)而又縮小，穩(wěn)定的主星序恒星變?yōu)闃O不穩(wěn)定的巨大火球，火球內(nèi)部的核反應(yīng)也越來(lái)越趨于不穩(wěn)定，忽而強(qiáng)烈，忽而微弱。此時(shí)的恒星內(nèi)部核心實(shí)際上密度已經(jīng)增大到每立方厘米十噸左右，我們可以說(shuō)，此時(shí)，在紅巨星內(nèi)部，已經(jīng)誕生了一顆白矮星。 當(dāng)恒星的質(zhì)量大于1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)，自身引力的劇烈坍縮把核心處的物質(zhì)壓得更緊。此時(shí)簡(jiǎn)并電子氣體的壓力不

10、足以抗衡引力，電子就被壓進(jìn)原子核，與質(zhì)子結(jié)合成中子。當(dāng)恒星的密度高達(dá)1017Kg/m 3時(shí)，中子數(shù)量增加，導(dǎo)致原子瓦解，中子從核中分離出來(lái)，成為自由中子氣進(jìn)入了中子簡(jiǎn)并態(tài)。簡(jiǎn)并中子氣所形成的壓力遠(yuǎn)大于簡(jiǎn)并電子壓，它與坍縮的引力抗衡形成了穩(wěn)定的中子星。中子星并不是恒星的最終狀態(tài)，它還要進(jìn)一步演化。由于它溫度很高，能量消耗也很快，因此，它的壽命只有幾億年。當(dāng)它的能量消耗完以后，中子星將變成不發(fā)光的黑矮星。 黑洞的產(chǎn)生過(guò)程類(lèi)似于中子星的產(chǎn)生過(guò)程；恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收縮，發(fā)生強(qiáng)力爆炸。當(dāng)核心中所有的物質(zhì)都變成中子時(shí)收縮過(guò)程立即停止，被壓縮成一個(gè)密實(shí)的星球。但在黑洞情況下，由于恒星核心

11、的質(zhì)量大到使收縮過(guò)程無(wú)休止地進(jìn)行下去，中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來(lái)的是一個(gè)密度高到難以想象的物質(zhì)。由于高密度而產(chǎn)生的力量，使得任何靠近它的物體都會(huì)被它吸進(jìn)去，黑洞就變得像真空吸塵器一樣。亦可以簡(jiǎn)單理解：通常恒星的最初只含氫元素，恒星內(nèi)部的氫原子時(shí)刻相互碰撞，發(fā)生裂變、聚變。由于恒星質(zhì)量很大，裂變與聚變產(chǎn)生的能量與恒星萬(wàn)有引力抗衡，以維持恒星結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。由于裂變與聚變，氫原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)最終發(fā)生改變，破裂并組成新的元素——氦元素。接著，氦原子也參與裂變與聚變，改變結(jié)構(gòu)，生成鋰元素。如此類(lèi)推，按照元素周期表的順序，會(huì)依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成。直至鐵元素生成，該恒星便會(huì)坍塌。這是由于鐵元素相當(dāng)穩(wěn)定不能參與裂變或聚變，而鐵元素存在于恒星內(nèi)部，導(dǎo)致恒星內(nèi)部不具有足夠的能量與質(zhì)量巨大的恒星的萬(wàn)有引力抗衡，從而引發(fā)恒星坍塌，最終形成黑洞。 通過(guò)天文學(xué)概論基礎(chǔ)選修課的初步學(xué)習(xí)，了解了恒星一生的演變，來(lái)之于星云， 又歸之于星云，走過(guò)漫長(zhǎng)輝煌的一生。通過(guò)對(duì)恒星的了解，讓我看到了宇宙世界的神秘與浩瀚，對(duì)天文學(xué)這門(mén)神奇古老的學(xué)科也有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。 參考文獻(xiàn)：《一千億顆太陽(yáng) 恒星的誕生、演化和死亡》 基彭哈恩著；朱圣源，趙君亮譯 5