天体演化笔记.doc

四、 中质量恒星演化晚期
恒星晚年时期标志: 关键区域氢燃烧完成, 氦关键区形成。

㈠红巨星
①两层核聚变反应: 关键He→C、 O, 关键外围H→He
氦关键收缩, 产生热散布到外层; 外面氢壳层燃烧, 再外围是恒星通常物质。恒星外部慢慢膨胀。
关键氦聚变反应（氦燃烧）: 先是猛烈氦闪耀阶段, 然后是平静氦聚变反应。
②恒星体积膨胀, 表面温度下降, 尤其明亮。
两层核聚变反应释放巨大能量, 使恒星外层急速膨胀;
体积膨胀, 表面积扩大,单位面积所散发烧相对降低, 表面温度也随之降到摄氏三千度, 在发生电磁辐射中,以红光最强。
因为它们体积非常巨大, 尤其明亮。如参宿四、 毕宿五、 大角、 心宿二等
③红巨星是变星。
氢层和氦层前后燃烧, 一步一步地延伸到外壳。因为这时燃烧氢和氦以产生 能源过程并不稳定, 星体会不停脉动, 同时会产生强劲恒星风把外壳吹掉 。

㈡行星状星云
从正在死亡中小型恒星中喷出气体遗址 , 气体物质关键有H、 He、 C、 O。
恒星在红巨星阶段时不稳定, 一涨一缩地在几千年时间里把外层物质全抖落出去, 到它四面空间去, 这些物质成为行星状星云。恒星四面物质被高温恒星所释放出恒星风向外推, 又接着被高温热辐射连续照射, 所以仍然闪闪发亮。

㈢白矮星
恒星外层被喷出后, 剩下关键部分继续收缩形整天体, 是中小质量恒星演化到最终残骸。

特征: ①体积小, 它半径靠近于行星半径, 平均小于1000千米。②光度非常小, 要比正常恒星平均暗1000倍。③质量小于1．44个太阳质量(钱德拉塞卡极限)。④密度高达1吨～10吨／厘米3, ⑤表面温度很高。⑥磁场强。

关键由碳和氧组成。
依靠电子简并压力抵挡万有引力, 维持星球稳定。

最终止局:
因为白矮星温度比周围高, 所以不停地发出辐射, 温度不停降低, 颜色渐红, 最终停止辐射, 成为黑矮星。估量从白矮星到黑矮星需要近100亿年
密近双星系统白矮星再度辉煌: 新星

五、 大质量恒星演化晚期
㈠红超巨星
①多层核反应同时发生。
H →He
He →C/O
C/O →→O/Ne/Mg
O/Ne/Mg →Si/S → Fe

②除了H、 He外, Fe以下全部化学元素均可能这一阶段产生, 物质损失越来越大。
③关键中子化
在恒星内部铁核形成以后, 并没有深入核融合反应能够提供能量来抵挡万有引力收缩。所以关键密度升高, 在接下来某一瞬间, 电子被挤进原子核, 很多电子被质子捕捉, 转变成中子, 同时迸发出巨大中微子流。中子“占据体积”要小得多, 两个中子能够紧挨着, 在恒星核里再没有任何¡°真空¡±留下, 恒星核就成了一个关键由中子组成巨大原子核, 这种远比白矮星紧密新物质简并态, 就叫做中子星。

㈡超新星爆炸
形成了很多比铁更重元素
在恒星内部铁核形成以后, 并没有深入核融合反应能够提供能量来抵挡万有引力收缩。所以关键密度一再升高, 整个关键就像是一个超大原子核一样。在接下来某一瞬间, 很多电子被质子捕捉, 转变成中子。在这一瞬间, 关键物质性质顿时改变, 变得坚硬了些。原先在这关键外围一起向内收缩物质一下子反弹子出来, 而把更外围较低密度物质整个向外炸了开来。这就是超新星爆炸。
伴随这整个过程是极大能量释放。首先是很多微中子带走了绝大部分能量, 以后向外炸开物质, 本身也含有很大能量, 使得这整个星球外围炸开物质温度增高, 且放出大量光。在爆炸那一瞬间, 巨大能量也使得很多比铁更重元素得以形成, 包含很多放射性元素。

超新星遗址: 爆炸向外抛出物质, 含有丰富重元素; 对星系演化起着关键作用。

㈢中子星
超新星爆炸后裸露关键, 在引力下收缩, 依靠中子简并压力抵挡万有引力而形成一个稳定结构。
中子星质量＜3个太阳质量

㈣黑洞
更大质量恒星演化最终究宿。
没有任何力抵挡物质向中心点收缩, 直至成为一个体积趋于零、 密度趋向无限大“点”。而当它半径一旦收缩到一定程度, 巨大引力使得一切物质、 信息、 光无法向外射出, 从而切断了恒星与外界一切联络。
1、 黑洞
是一个致密物体, 它引力场是如此之强, 任何物体, 甚至光也不能逃脱出来。
2、 是物理理论推论
英国米歇尔, 依据万有引力定律;
德国史瓦西, 依据爱因斯坦广义相对论
广义相对论史瓦西描述:
引力场将使时空弯曲。恒星半径越小, 它对周围时空弯曲作用就越大, 等恒星半径小到“史瓦西半径”时, 就连垂直表面发射光都被捕捉了。
3、 假如掉入黑洞, 会发生什么现象？
落入黑洞后, 运动越来越快, 双脚引力比头部引力大, 身体被撕碎。假如掉入一个超大质量黑洞, 身体会保持完整, 很快会抵达奇点, 在那被挤碎。
4、 黑洞不会永远存在。
1974年, Stephen Hawking 利用量子引力理论证实黑洞会缓慢将能量返还到宇宙中, 最终蒸发。

5、 宇宙中有多少黑洞？
应该是太多了, 数不过来。
6、 寻求黑洞
经过间接测量手段确定它们存在。
一个双星系统; 发射出强大X射线; 计算质量, 若大于3倍太阳质量, 可能是黑洞。比如, 天鹅X－1和大麦哲伦星云X－3就含有这些特征。

六、 恒星一生
总结:
恒星一生: 星云物质→原恒星→主序星→红巨星
行星状星云→星云物质
　　 白矮星 关键质量＜1.4M, 母星质量: ＜8M
红巨星→ 中子星 关键1.4M—3M, 母星质量: 8M—25M
黑洞 关键质量＞3M, 母星质量: ＞25M
超新星爆发→星云物质

来自星尘, 归于星尘
恒星从星际间分子云, 尘埃, 经由万有引力件用而聚集形成。这时依其质量大小不一样出现在主序列带上不一样位置。然后经过了停留在主序列带上关键生命期, 较小质量恒星会进入两次红巨星阶段, 在这期间内, 把它大部分质量又重新藉由恒星风, 以及形成行星状星云, 抛回到原来星际空间里, 又变成星际间介质, 而关键部分则会变成白矮星, 在空荡宇宙空间里, 逐步冷却暗去。
质量较大, 在关键生命期以后, 会有更猛烈质量散失, 而且经历数次超巨星阶段, 以后产生更是强烈超新星爆炸。超新星爆炸残骸, 以及更早先质量散失, 也终究都回到星际空间去, 变成用来形成另一个新恒星星际物质。而留下关键部分则可能变成中子星或者是黑洞。

宇宙演化

宇宙学—从整体角度探讨宇宙结构和演化天文学分支学科。

宇宙论标准模型─大爆炸学说。
仍然有很多还未处理难题。天文学家提出暴胀理论(inflationary theory) , 解释/处理部份宇宙论标准模型困难, 但终极宇宙论仍在建构之中。
现在已经有相关恒星与星系完整理论, 不过我们只有一个宇宙, 建构一个合理宇宙论并不轻易。

一、 宇宙情况
①宇宙结构 : 地球-> 太阳系-> 太阳邻居-> 本银河系-> 本星系群-> 宇宙海棉结构。
最大结构体--长城～200 Mpc , 远小于己知宇宙大小, 所以只是区域结构。
②宇宙在膨胀; ; 宇宙星系相互远离, 相距愈远星系, 相互远离速度愈大。

二、 宇宙学原理 :
①均匀性原理: 宇宙物质是均匀 分布。
②各向同性原理: 不管向宇宙哪一方向观察, 所看到皆会差不多 。
③宇宙一致性原理: 人类所知物理定律, 一样普遍适适用于宇宙任何一个角落。

三、 宇宙论标准模型建立
1、 “奥尔伯斯佯谬”

⒉现代宇宙学理论上进展
爱因斯坦:
德西特:
弗里德曼:
哈勃:
勒梅特:
伽莫夫: 1948年美国天文学家伽莫夫发展勒梅特思想, 把宇宙膨胀与物质演化联络起来, 提出了“大爆炸宇宙模型”

⒊观察上发觉
①什么是光谱红移与蓝移？
多普勒频移是运动光源光谱里明线或暗线移动。假如光源朝向我们运动, 移动就朝向可见光谱蓝色一端, 称为蓝移。反之, 红移。与静止光源光谱里对应位置作比较而得到移动量, 能给出光源朝向或背离我们运动速度。
②红移现象发觉者: 斯里弗。
③哈伯定律: 描述星系红移与距离关系
哈伯手中有46个星系红移, 有19个星系距离。作出19个星系速度距离图后, 哈伯断定速度与距离成正比。接着, 1928年开始她与赫马森合作, 又测得150个星系红移, 最高速度4万米/秒。证实了哈伯定律有效性。
哈伯定律: Vr = H * d
其中Vr 星系退行速度, d星系距离, H哈伯常数。

哈勃定律意义: 依据红移量, 可得出遥远星系距离; 距离我们越远星系, 退行速度越快, 宇宙在膨胀, 而且朝着各个方向。

四、 大爆炸宇宙学模型。

我们宇宙经历过一个从热到冷、 由密到稀诞生和演化过程。在很久前某个时刻, 今天观察到物质世界都集中在一个范围很小区域, 它密度和温度都无限大。
以后发生了一次大爆炸, 能量转换成了物质, 产生了粒子。伴随宇宙膨胀, 温度急剧下降, 原来以中子、 质子等基础粒子形态存在物质, 结合形成重氢、 氦等化学元素。
当温度降到几千度时, 宇宙间关键是气态物质, 它们凝聚成气云, 进而形成多种恒星体系, 成为现在宇宙。

理论模型预言:
1、 存在宇宙微波背景辐射:
2、 模型计算出宇宙中氦、 氘、 锂相对于氢丰度:
理论计算, 氦丰度应为23%, 锂丰度为百亿分之几, 余下为氢核。
3、 推算出我们宇宙演化历史 。

五、 大爆炸宇宙模型关键观察证据:
①3K宇宙背景辐射发觉:
②河外天体谱线红移深入发觉, 证实红移广泛存在, 说明宇宙在膨胀。
③宇宙元素氦丰度及轻元素丰度测定与大爆炸理论推算结果吻合。
④宇宙年纪测定: 100~200亿年, 放射性元素如铀、 钍等放射性半衰期来测定其年纪, 实测结果是70至150亿年。

六、 宇宙演化历史
最早宇宙时期, 称为创生期。对应宇宙年纪约为l0-44秒。这是时空本身形成阶段, 应该用量子引力论或量子宇宙学描写这一时期动力学。
宇宙极早期。指年纪约为10-36秒时代。关键物理过程是发生大统一相变, 以致宇宙膨胀极快, 称为暴涨。另外, 宇宙间不对称也开始形成。夸克、 胶子等粒也是这一时期产物。
年纪=10-6 sec, 温度1013开, 夸克形成质子和中子, 出现电子、 中子、 质子, 光子以及中微子相互转化
年纪=1.1 sec, 温度100 亿开, 中微子开始脱耦。进入核合成时期, 质子和中子结合成氘核。
100 sec, 温度10亿开, 氘核不再分解, 接着形成4He, D, 7Li等轻元素。
年纪=3:45 min , 核合成过程结束。

10万年, 温度4000开, 原子核与电子结合形成中性原子, 原子形成使得宇宙一下子透明了, 光子开始脱耦, 能够自由飞行。自此, 辐射和物质开始各自膨胀冷却和演化, 不在发生作用。
10亿年时, 宇宙从相当均匀状态演化到有多种结构状态。多种尺度星体及星体体系, 就是在这一时期中逐步形成。
140亿年, 宇宙已冷却到约3K。

七、 标准模型难题和暴涨宇宙模型
1、 宇宙论标准模型难题
宇宙组成问题: 大暴炸标准模型, 对暗物质存在与本质皆未做估计。
视界问题: （光在指定时间, 所能传输距离）----宇宙背景辐射为何各向同性？为何如此均匀？ 宇宙背景辐射为宇宙变透明时, 宇宙中辐射遗址。宇宙变透明时, 宇宙边缘各点距离, 有些己超出视界, 如未经沟通, 宇宙怎样保持热平衡？ 而宇宙论标准模型假设是大爆炸至宇宙变透明时, 宇宙一直处于热平衡状态。
曲度问题: 宇宙为何如此平坦？
2、 暴胀宇宙模型(inflaionary universe)
假设: 宇宙在10-35 秒至10-33 秒之间发生暴胀。在此期间, 宇宙直径大约由10-26 公尺暴增1050倍, 至1024 公尺(～30 Mpc) 。在10-33 秒时, 暴胀终止, 膨胀速率变得与标准模型相同。
暴胀机制: 宇宙在10-35 秒时发生相变, 放出巨量¡°潜热¡± 造成宇宙暴胀。
暴胀之前, 宇宙直径小于视界, 宇宙处于热平衡。
暴胀后, 我们可见宇宙, 只是宇宙真实大小极小部份。物质所产生空间曲度几乎和平面相同。

八、 宇宙未来
宇宙演化趋势取决于宇宙物质平均密度ρ0 与临界密度ρC 比值Ω, 1922年, 苏联数学家弗里德曼在广义相对论框架下得出, 经过下面三种情况比较, 能够给出不一样宇宙发展趋向:
Ω< 1 宇宙便会无休止地膨胀, 开放宇宙, 无限无界
Ω= 1 对应于一个平坦而开放宇宙;
Ω> 1 引力足以使宇宙停止膨胀, 并令它重新收缩, 这称为封闭宇宙, 有限有界。

宇宙物质:
在初华盛顿特区NASA新闻公布会上, 科学家公布了威尔金森微波背景辐射各向异性探测器WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe）第一批观察结果, 给出了宇宙总体物质组成:

发光天体包含我们太阳在内占4%, 暗物质占23％（引力效应表示其存在暗物质）, 暗能量占73%, 一个斥力性质物理量。

最新研究表示Ω= 0.88—1.12, 我们宇宙可能是一个平坦而开放宇宙。

12月下旬, 美国著名期刊《科学》science, 评出当年十大科学进展, 第一位, 就是确定我们宇宙中有暗能量dark energy。它是一个斥力性质物理量。

1月份, 中国公布了中国科学院和中国工程院两院院士评出来十大科学进展, 也是暗能量发觉。

上个世纪, 科学家面临任务是寻求暗物质。本世纪, 科学家不仅面临着继续寻求暗物质, 还面临着要寻求“暗能量”, 这是本世纪宇宙学重大前沿课题。