第十五講赫羅圖與恒星演化一、赫羅圖的建立1．哈佛的恒星光譜分類1884年美國哈佛大學天文臺長皮克林(E.C.Pickering,1846—1919)開展恒星光譜巡天計劃。19世紀末又在秘魯阿雷基帕建觀測站，開展南天恒星光譜巡天觀測。從事光譜分類的有弗來明夫人(Mrs.Fleming,1857—1911)、莫里小姐(A.C.Maury,1866—1952)和坎農小姐(P.Cannon,1863—1941)?？厕r提出一種由O、B、A、F、G、K、M等型，以字母后跟數(shù)字表示。一生完成36萬顆恒星光譜分類。這是哈佛光譜分類法。2．赫茨普龍的工作（1）發(fā)現(xiàn)同一光譜型中有光度不同的恒星20世紀初丹麥天文學家赫茨普龍開始以莫里的光譜星表為基礎開展恒星分類研究。①把每顆恒星的自行都歸算到視星等為零的自行值。②求出各類星的平均自行。1905－1907年得出一項十分重要的發(fā)現(xiàn)：在同一光譜型的恒星中，有些類恒星比其他恒星的平均自行小得多，表明它有特別大的光度。稱之為巨星。而稱光度較小的為矮星。巨星比矮星少得多。赫茨普龍的這一成果，是人類對恒星認識和分類上的一大飛躍。作出了根據(jù)恒星不同光譜特征而作的本質分類，發(fā)現(xiàn)了同一光譜型的恒星中有著光度截然不同的兩類恒星。（2）通過星團探討光譜型和光度關系1911年赫茨普龍刊布了昴星團和畢星團的顏色-星等圖。3．羅素的工作1902－1905年美國天文學家羅素(H.N.Russell,1877—1957)在英國劍橋大學天文臺與海因克斯(A.R.Hinks,1873—1945)用照相方法測恒星視差，推算絕對星等。1913－1914年羅素發(fā)表其關于恒星光譜與光度關系的研究工作，刊布了光譜－光度圖。此圖被稱為赫茨普龍－羅素圖。簡稱赫羅圖或稱HR圖。赫羅圖的建立是天體物理學發(fā)展史上一個里程碑。它全面地展現(xiàn)了恒星的豐富多樣性；提示了恒星世界深刻的內在規(guī)律，即恒星特性的序列性，實現(xiàn)了對恒星的科學分類；為恒星演化的研究奠定了基礎。二、早期的恒星演化理論1913年羅素作了根據(jù)赫羅圖探討恒星演化的最早嘗試。認為恒星沿主星序由早型星向晚型星演化。但是，波江座40B(40BEri)和天狼星（αCMa）的暗伴星等這類白矮星不能解釋。三、愛丁頓的質光關系1924年英國天文學家愛丁頓（A.S.Eddington,1882—1944)根據(jù)他的恒星內部結構理論，提出了恒星的理論質光關系式。這一關系的確立完全改變了人們對主序星的傳統(tǒng)觀念。從而，羅素的演化理論逐漸被拋棄。四、恒星的能源問題1．自身引力收縮論1854年德國物理學家赫姆霍茨(H.vonHelmholtz,1821—1894)提出太陽的能源來自于自身引力收縮。羅素的恒星演化理論以此為根據(jù)，而推出太陽年齡僅2000萬年。2．質子與電子的相互湮滅論根據(jù)相對論的質能關系E＝mc2認為質子與電子結合而“湮滅”釋放能量。3．核聚變反應1937－1939年德國的魏茨澤克(C.F.Weizs?cker,1912—)和美國的貝特(H.A.Bethe,1906—)相繼提出在恒星中可能存在由4個氫核聚變成一個氦核的兩種原子核反應。這揭示恒星能源本質，有力地推動了恒星演化理論發(fā)展。五、恒星演化的研究1．V－R定理1926年沃格特(H.Vogt)與羅素各自導出：處于平衡態(tài)的恒星，其溫度和光度由其質量和化學組成確定。這就是沃格特－羅素定理，簡稱V－R定理。此定理為應用赫羅圖探討恒星演化提供了扎實基礎。2．恒星演化的現(xiàn)代理論經過許多天文學家,其中特別是1952年，桑德奇(A.R.Sandage,1926—)和M．史瓦西(M.Schwar-schild,1912—)提出恒星在主星序后迅速向紅巨星演化。1957年，桑德奇繪出了10個銀河星團和一個球狀星團的組合赫羅圖，不同年齡的星團其赫羅圖形狀不同。1961年，日本天文學家林忠四郎(HayashiChushiro,1920—)，研究了恒星的演化程。至20世紀60年代，恒星一生在赫羅圖上的理論演化曲線已相當清晰。①原恒星階段。由引力收縮至核心點燃氫-氦核反應。②主序星階段。由核心氫-氦核反應提供穩(wěn)定能源，引力與輻射壓相平衡，是恒星一生中最穩(wěn)定、時間最長的階段。③紅巨星階段。恒星中心氫耗盡，氦核坍縮，外殼急劇膨脹。氦核中心升溫，啟動