1宇宙大爆炸理論CONTENTS第10章現(xiàn)代天文學(xué)恒星的起源和演化210.1課程標(biāo)準(zhǔn)

1.知識目標(biāo)

識記加莫夫（俄籍美國人）、夫瑯和費(fèi)（德）、基爾霍夫（德）、彭齊亞斯和威爾遜（美）、哈勃（美）在天文學(xué)上的創(chuàng)新成果。理解宇宙元素的豐度、恒星光譜的紅移、宇宙背景輻射、宇宙的年齡獲得的依據(jù)。理解大爆炸標(biāo)準(zhǔn)模型的演變過程。2.能力目標(biāo)具備初步批判性思維能力。3.素質(zhì)目標(biāo)弘揚(yáng)科學(xué)家精神，博學(xué)德清，鼎新致用。

第一節(jié)宇宙大爆炸理論

1946年美國俄籍核物理學(xué)家、宇宙學(xué)家喬治·伽莫夫（1904—1968）正式提出宇宙大爆炸模型。1952出版了《宇宙的產(chǎn)生》著作，進(jìn)一步進(jìn)行了論證。該理論成為現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的一種學(xué)說，稱之為宇宙大爆炸標(biāo)準(zhǔn)模型。伽莫夫（1904—1968）

一、基本觀點(diǎn)

認(rèn)為宇宙誕生于大約100億年前的一次大爆炸。

爆炸之初，物質(zhì)只能以中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等基本粒子形態(tài)存在。

宇宙爆炸之后的不斷膨脹，導(dǎo)致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，并復(fù)合成為通常的氣體。

氣體的主要成分是氫氣，約占75%；其次是氦氣約占25%。氣體逐漸凝聚成星云，星云進(jìn)一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成我們?nèi)缃袼吹降挠钪妗?/p>

宇宙還在膨脹，宇宙背景冷卻到3K。宇宙大爆炸不斷膨脹示意圖二、大爆炸的依據(jù)1、宇宙元素的豐度1814年，德國物理學(xué)家夫瑯和費(fèi)用分光鏡發(fā)現(xiàn)在太陽光的譜帶（連續(xù)譜）中含有數(shù)百條暗線（譜線），譜帶中橙黃色區(qū)域的雙重暗線（D線）的位置與金屬鈉的化合物受熱后所產(chǎn)生的兩條明線的位置相同。這些吸收線代表著恒星大氣中各種不同的化學(xué)元素。每種化學(xué)元素都有特殊的光譜線

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了三種類型的光譜。連續(xù)譜：在高壓下的熾熱固體、液體、或者氣體發(fā)出連續(xù)光譜；發(fā)射線：在低壓下的熾熱氣體，產(chǎn)生分立的亮線組成的光譜。氣體不同，產(chǎn)生的亮線也不一樣；吸收線：通過低壓的氣體來觀察一個(gè)發(fā)出連續(xù)光源時(shí)，可以看到連續(xù)光譜上迭加了幾條暗線，暗線的位置恰好是低壓的熾熱氣體發(fā)出亮線的位置。三種類型的光譜特征1858年德國物理學(xué)家基爾霍夫發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這三種光譜的原因，于次年提出了兩條定律：

（1）每一種元素都有自己的光譜；（2）每一種元素都能吸收它能夠發(fā)射的譜線。將所拍的恒星線光譜和已知元素譜線波長表相對照，便可確認(rèn)天體的化學(xué)成分。

同時(shí)，還可根據(jù)光譜線的強(qiáng)度確定各元素的含量。研究表明，幾乎所有恒星的表層大氣中都具有大致相同的化學(xué)成分，氫和氦兩種元素占了總量的95%以上，其中氫占75%左右。還有鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、氧化鈦等元素和一些化合物。

2.星系光譜的紅移聲音的頻率越大，音調(diào)越高。比如C調(diào)：1（262）；2（294）；3（330）；4（349）；5（392）；6（440）；7（494）赫茲。

當(dāng)火車朝我們開來時(shí)，汽笛聲愈來愈尖，一旦擦身而過，又迅速地低沉下去?；疖囈煌＃崖曇搽S著穩(wěn)定下來。這說明聲源和觀測者只要有相對的運(yùn)動，聲波的頻率就會發(fā)生變化。

在互相接近的情況下，頻率變高；互相分離時(shí)，頻率變低，這種現(xiàn)象叫多普勒效應(yīng)。測定光的多普勒效應(yīng)的最好辦法，是觀測它的譜線的變化。

c=νλ

多普勒效應(yīng)是一切種類波所共有的現(xiàn)象，也適用于光波和電磁波。大多數(shù)恒星的光譜里，在紫外光部分都有兩條暗線，這是被鈣氣吸收所致。

令人詫異的是，遙遠(yuǎn)星系光譜里的這兩條暗線同實(shí)驗(yàn)室的比較，卻不是處在它們應(yīng)處的位置上，而是稍稍移向低頻端(即紅端)。這種現(xiàn)象稱為“紅移”。星系距離愈遠(yuǎn)，譜線“紅移”愈顯著，甚至使這兩條應(yīng)處于紫外光部分的暗線，移到了紅光一端。

這種某頻率譜線的位移現(xiàn)象，說明該天體遠(yuǎn)離觀察者而去。20世紀(jì)60年代，世界各地的天文觀測者測量到約28000個(gè)星系的光譜,除少數(shù)（靠近銀河系的那些星系)外，全都具有支持膨脹宇宙的紅移。光譜線的紅移現(xiàn)象，說明該天體遠(yuǎn)離觀察者而去

3、宇宙背景輻射

微波即波長在10米到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統(tǒng)稱。1964年，美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的彭齊亞斯和威爾遜用一架衛(wèi)星通訊天線測量銀暈氣體射電強(qiáng)度。為了降低噪音，他們甚至清除了天線的鳥糞，但依然有消除不掉的背景噪聲。他們認(rèn)為，這些來自宇宙波長為7.35厘米的微波噪聲相當(dāng)于3.5K。1965年，他們又訂正為2.726K，并將這一發(fā)現(xiàn)公諸于世。普林斯頓大學(xué)皮伯斯等認(rèn)為，這就是他們尋找的宇宙背景輻射。微波背景輻射被作為“大爆炸宇宙”的重要遺跡被確認(rèn)。彭齊亞斯和威爾遜兩人因此獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而皮伯斯也終于在2019年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。大爆炸的宇宙背景輻射溫度

4.宇宙的年齡

對室女座10顆脈沖星觀測得到的哈勃常數(shù)的值為：50～100km·s-1·Mpc-1，確定的宇宙年齡在120億～160億年之間?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，估計(jì)宇宙年齡在100億～150億年之間。

這些結(jié)果與宇宙年齡的理論值符合得很好。三、大爆炸標(biāo)準(zhǔn)模型

大爆炸宇宙論認(rèn)為宇宙起源于一個(gè)高溫、高密度的“原始火球”的大爆炸，爆炸之后經(jīng)過降溫、變稀和膨脹，逐步演化成今天看到的天體系統(tǒng)。宇宙“始”于約100億年前的大爆炸。起初不僅沒有任何天體，也沒有粒子和輻射，只有一種單純的真空狀態(tài)以指數(shù)函數(shù)形式急劇膨脹著。

大爆炸宇宙膨脹示意圖

（1）大爆炸后10-44s，溫度為1032K，發(fā)生超統(tǒng)一相變。引力相互作用首先分化出來，但弱、電磁、強(qiáng)三種相互作用仍不可分。此時(shí)最基本的粒子產(chǎn)生。

（2）10-36s，溫度為1028K，大統(tǒng)一相變發(fā)生。強(qiáng)相互作用與弱、電磁相互作用分離。此時(shí)有強(qiáng)子生成。

（3）10-10s，溫度為1015K，弱電相變發(fā)生。弱相互作用與電磁相互作用分離。此后，物質(zhì)與反物質(zhì)間的不對稱（即質(zhì)子、電子等物質(zhì)多于反質(zhì)子、正電子等反物質(zhì)）的現(xiàn)象開始出現(xiàn)。

引力源于物體質(zhì)量的相互吸引；電磁力是由粒子的電荷產(chǎn)生的，同性電荷相斥異性電荷相吸；強(qiáng)力主要是把夸克結(jié)合在一起的力；

弱力的作用是改變粒子而不對粒子產(chǎn)生推和拉的效應(yīng)，像核聚變和核裂變這兩個(gè)過程都是受弱力支配的。（4）1s，溫度降至1010K，中子進(jìn)入凍結(jié)階段。凍結(jié)的中子有兩種途徑，一部分與質(zhì)子結(jié)合，成氦核；另一部分自由衰變成質(zhì)子。

中子→質(zhì)子+電子+反電子中微子。

（5）3

min，溫度為109K，為原子核合成階段。

中子：質(zhì)子=1：7。首先形成氘核，然后再形成氦核。氦和氫核的質(zhì)量比是1：3。

（6）1h后，反應(yīng)結(jié)束，形成了75%的氫和25%的氦。

（7）7×105a，宇宙溫度降為3000K，為原子合成階段。原子核與電子結(jié)合成為原子。（8）108a，輻射溫度為100K，星系形成。

（9）109a，輻射溫度12K，出現(xiàn)類星體

（10）目前，宇宙年齡為1010a，輻射溫度降為2.7K，我們觀測到的宇宙已大到1010l.y.。

現(xiàn)在宇宙仍在繼續(xù)膨脹著。思考與練習(xí)

1.加莫夫（俄籍美國人）、夫瑯和費(fèi)用（德）、基爾霍夫（德）、彭齊亞斯和威爾遜（美）、哈勃（美）在天文學(xué)上有何創(chuàng)新成果？

2.簡答宇宙元素的豐度、恒星光譜的紅移、宇宙背景輻射、宇宙的年齡資料的重要意義。

3.簡答大爆炸標(biāo)準(zhǔn)模型的演變過程。1宇宙大爆炸理論CONTENTS第10章現(xiàn)代天文學(xué)恒星的起源和演化210.2課程標(biāo)準(zhǔn)

1.知識目標(biāo)

識記恒星的亮度、視星等、光度、絕對星等的概念。

識記天文學(xué)的距離單位。

理解赫羅圖的重要意義。理解原恒星、主序星、紅巨星、白矮星、中子星、黑洞的成因。2.能力目標(biāo)具備初步批判性思維能力。3.素質(zhì)目標(biāo)弘揚(yáng)科學(xué)家精神，博學(xué)德清，鼎新致用。

第二節(jié)恒星的起源和演化

一、赫羅圖

恒星的光度依賴于它的溫度和大小，故把它們的光度和溫度作圖比較就能把恒星按體積大小區(qū)分開來。如果兩顆恒星的溫度相等而直徑不等，那么直徑小的光度就?。ò装牵?，這是因?yàn)橹睆叫〉暮阈瞧浔砻娣e也小的緣故，所以它的位置就在圖的下方。

如果兩顆星的光度一樣但溫度不同，冷星的體積必然要大些(紅巨星)。因此，越冷的星在圖上的位置越靠右。這種恒星光度和光譜型關(guān)系的圖，是由丹麥天文學(xué)家赫茨普龍和美國天文學(xué)家羅素于1905和1913年各自獨(dú)立創(chuàng)制，故名赫羅圖。赫羅圖1.恒星的亮度與視星等恒星的亮度是指地球上受光強(qiáng)度，即恒星的明暗程度。表示天體亮度的等級叫做視星等。古代的天文學(xué)家們很早就開始了根據(jù)恒星亮度劃分恒星等級的工作，天文學(xué)家把天上的恒星分成6等，以肉眼看來最亮的星為1等星，肉眼勉強(qiáng)可見的暗星為6等星。而比1等星更亮的太陽、月亮、等的星等值只能以負(fù)值來表示了。全天最亮的恒星天狼星為-1.45等，金星最亮?xí)r為-4.22等，月亮滿月時(shí)的亮度為-12.73等。2.恒星的光度與絕對星等光源的視亮度與其距離的平方成反比。為了比較不同恒星的真實(shí)發(fā)光能力，必須設(shè)想把它們移到相同的距離上，才能比較它們的真正亮度即光度。天文學(xué)上把這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)距離定為10個(gè)秒差距，即32.6光年處的亮度，稱為光度。

光度和亮度的公式：M=m+5-5lgd

太陽的亮度達(dá)-26.74等；絕對星等是4.75。根據(jù)亮度確定視星等根據(jù)光度確定絕對星等3.天文學(xué)的距離

（1）天文單位：規(guī)定地球到太陽的平均距離為一個(gè)天文單位，用1AU表示。1AU=1.496×108km.

（2）光年：定義光在真空中行走一年的距離為一光年，用1l.y.表示。1l.y.=9.4605×1012km.

（3）秒差距：指的是從某天體看太陽系時(shí)正交于視線上1AU所張的角度為1″(角秒）時(shí)的距離。

1pc=2.06×105AU=3.26l.y.

從某天體看太陽系時(shí)正交于視線上1AU所張的角度為1″時(shí)的距離。4.恒星的顏色恒星一般呈現(xiàn)出某種顏色，如紅色、黃色、白色、藍(lán)色等。在可見光中，紅光波長最長(0.7微米），藍(lán)光波長最短（0.4微米）。按照維恩位移定律：

λT=2.9×10-3

發(fā)光體的溫度越高，其光強(qiáng)最大值處的波長越短。

太陽在赫羅圖上處于主星序的中部。它是一個(gè)中等質(zhì)量、是一個(gè)黃色的恒星，表面溫度6000K。發(fā)光體的溫度越高，其光強(qiáng)最大值處的波長越短。二、恒星的演化

（一）原恒星階段18世紀(jì)初康德等倡言的散布于空間中的彌漫物質(zhì)（稱為星云）可以在引力的作用下凝聚成太陽和恒星的假說，經(jīng)過歷代天文學(xué)家的努力已逐漸發(fā)展成為相當(dāng)成熟的理論。

盡管星際物質(zhì)的密度很低，約為10-19kg/m3，但它們的分布很不均勻。當(dāng)引力做功轉(zhuǎn)化成熱，使分子云密度增加的同時(shí)溫度也不斷增高。

當(dāng)引力勢能轉(zhuǎn)化為熱能而使中心天體熾熱發(fā)光。這就是原恒星階段。原恒星

原恒星在不斷收縮過程中，當(dāng)引力能轉(zhuǎn)化的熱能使中心溫度達(dá)到107K時(shí)，就足以觸發(fā)恒星中心氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻?yīng)，從而放出巨大的核能，此時(shí)恒星不斷向外輻射出大量能量，我們說一顆恒星誕生了。按愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系，一定質(zhì)量m聯(lián)系的能量E是質(zhì)量乘以光速的平方mc2。與虧損質(zhì)量相聯(lián)系的能量也這樣計(jì)算。每四個(gè)氫聚變成一個(gè)氦（4H1→He4）放出247MeV的能量。核燃燒使恒星內(nèi)部物質(zhì)產(chǎn)生向外的輻射壓力，當(dāng)輻射壓力與引力達(dá)到平衡時(shí)，恒星的體積和溫度就不再明顯變化，進(jìn)入一個(gè)相對穩(wěn)定的演化階段，稱為主星序階段。恒星在主星序階段停留的時(shí)間最長，包括太陽在內(nèi)的迄今發(fā)現(xiàn)的恒星90%處在這一階段。

（二）主序星階段主序星

（三）紅巨星階段

恒星中的核燃燒不僅發(fā)生于氫到氦的轉(zhuǎn)變，還有氦到碳再到其他較重元素的逐級轉(zhuǎn)變。

但發(fā)生這些轉(zhuǎn)變的溫度要求越來越高，溫度要高達(dá)一億度甚至幾十億度。當(dāng)恒星核心部分氫完全轉(zhuǎn)變成氦后，恒星的內(nèi)部將要發(fā)生新的變化。

一方面，星核由于輻射能力下降在引力作用下將收縮，收縮過程中引力做功產(chǎn)生的熱將恒星核心溫度再次提高，達(dá)到引發(fā)氦生成碳的程度，引發(fā)新一輪核反應(yīng)。

另一方面外面殼層的氫也會開始燃燒?？梢韵胂?，同時(shí)有兩個(gè)不同的核聚變發(fā)生，情況將是復(fù)雜的。

3He4→C12氦燃燒階段形體的結(jié)構(gòu)

當(dāng)氦燃燒完畢后，恒星核心又會類似的進(jìn)行新一輪核反應(yīng)。這樣的過程一直會進(jìn)行到合成鐵時(shí)為止。即：當(dāng)溫度大于一億度時(shí)，3He4→C12；C12+He4→O16+He4→Ne20+He4→Mg24

當(dāng)溫度大于幾十億度時(shí)，Mg24+He4→Si28+He4→

S32+He4→Cl36+He4→Ca40---Fe56.這一階段恒星核心經(jīng)歷幾個(gè)不同的核聚變反應(yīng)，恒星也經(jīng)歷多次收縮、膨脹，其光度也發(fā)生周期性的變化。此階段可稱為恒星的“更年期”。紅巨星、紅超巨星就是這一階段后期的產(chǎn)物。恒星的“更年期”（四）恒星的結(jié)局1.白矮星

如果恒星的質(zhì)量不超過1.4倍太陽質(zhì)量，則簡并電子氣的壓力能夠抵抗住引力坍縮，使星體穩(wěn)定下來,這就是白矮星。

其密度約105

～108g/cm3，半徑300～1200km，是恒星演化的第一種結(jié)局。第一顆被發(fā)現(xiàn)的白矮星是雙星系統(tǒng)天狼星A的伴星天狼星B。穩(wěn)定白矮星的質(zhì)量上限為1.44太陽質(zhì)量，稱為錢德拉塞卡極限。

天狼星的伴星是白矮星

2.中子星

初始質(zhì)量更大的恒星，電子被擠進(jìn)原子核內(nèi)，與質(zhì)子結(jié)合成中子，并且達(dá)到簡并態(tài)（高密度）。恒星的外層則隨即出現(xiàn)超新星爆發(fā)而被炸散。剩下的只是一個(gè)由簡并態(tài)中子氣壓力支撐的核心，這就是中子星。中子星幾乎完全由中子組成，其大小只有同質(zhì)量年輕恒星的百萬分之一。中子星物質(zhì)的密度約1014～

1015g/cm3，半徑小于10km，其他物理?xiàng)l件，如強(qiáng)引力、高