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(课用)第一章星系、恒星、太阳系起源和演化

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太阳系 恒星 星系 太阳系起源和演化 起源与演化
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化学化工学院 刘立新 星系的起源和演化 •星系是由几十亿至几百亿恒星以及星际气 体和尘埃等构成,占据几千光年到几十万 光年的空间的天体系统。 •星系是构成宇宙的基本单元。 目前已观测到约1010个星系除我们所在的银河系 外,其余均称河外星系。星系大小悬殊明显,我们 的银河系是一个较大的星系,“仙女座星云”是距银 河系最近的、较大的旋涡星系,而“大、小麦哲伦 星云”虽较近,但比银河系小得多。 麒麟座玫瑰星云 马头星云 仙女星系 武仙座球状星团 星系的起源 (尚未定论) •目前较流行的看法是:当宇宙从猛烈的爆发中产生时,大量 的物质被抛射到空间中。形成宇宙中的“气体云”。这些气体云本 身处在平衡之中,但是在某种作用下,平衡被打破了,物质聚 集在一起,质量高达今天太阳质量的上千亿倍!这些物质团后 来在运动中分裂开,并最终形成无数颗恒星。这样,原始的星 系就形成了。一般认为星系形成的时期在一百亿年前左右。 •关于星系前物质,有人认为是弥漫物质,也有人主张 是超密物质。 •关于原星系的诞生,有两种见解,一种是引力不稳定 假说,另一种是宇宙湍流假说。引力不稳定假说认为 在复合时期前后的30亿年期间,星系团规模的引力不 均匀性开始出现并逐渐增长,这时宇宙物质不稳定而 聚成原星系。宇宙湍流假说认为在宇宙等离子物质复 合以前,强辐射压可能引起湍动涡流,物质中性化后 涡流的碰撞、混合、相互作用产生巨大的冲击波,形 成团块群,再演变为星系。 恒星的起源和演化 •有一种理论描述了超大质量恒星是如何 形成的,这些超大质量恒星的质量是太 阳的15-60倍,可以引发太空物质丛的 形成,然后转化为新生恒星。在该理论 中,这些恒星质量很大,其中部分恒星 物质滑落形成星际风。所形成的灼热恒 星会发出强烈的放射线,随着时间的推 移,星际风和放射线将吹散周围的太空 物质,形成膨胀扩大的“空洞区”。随着 星际风和放射线形成更多的空洞区,气 体和灰尘将对该空洞区边缘位置施加压 力。天文学家曾长期猜测这种施压浓缩 进程可沿着空洞区膨胀边缘形成新的恒 星。 • 在斯皮策太空望远镜拍摄“W5”中 ,研究人员通过观测图片发现许多年轻 的恒星距离空洞区中心越来越远,与之 相比,存在时间较久的超大质量恒星位 于W5两个空洞区的中心位置,而较年 轻恒星位于空洞区边缘,并覆盖于像大 象鼻子的束状区域。 •首先我们知道开始阶段宇宙在膨胀,并逐渐冷却。 •在原星系的中心区,收缩快、密度高、恒星的 形成率也高。 恒星的形成 在17世纪时,牛顿提出:散布于空间中的弥漫物 质可以在引力作用下凝聚为太阳和恒星.经过历代天文 学家的努力,这已逐步发展成为一个相当成熟的理论。 观测表明,星际空间存在着许多由气体和尘埃组成的巨 大分子云。这种气体云中密度较高的部分在自身引力作 用下会变得更密一些。当向内的引力强到足以克服向外 的压力时,它将迅速收缩落向中心。如果气体云起初有 足够的旋转,在中心天体周围就会形成一个如太阳系大 小的气尘盘,盘中物质不断落到称为原恒星的中央天体 上。在收缩过程中释放出的引力能使原恒星变热,当中 心温度上升到1000万度以引发热核反应时,一颗恒 星就诞生了。恒星的质量范围在0.1-100个太阳质量 之间。更小的质量不足以触发核反应,更大的质量则会 由于产生的辐射压力太大而瓦解。 根据弥漫说的理论,恒星形成可分为两个阶段,开 始时先由极其稀薄的物质凝聚成星云并进一步收缩 成原恒星,然后原恒星才发展成为恒星。 一般把处于慢收缩阶段的天体称为原恒星。慢收缩开始后,中心 区受强烈压缩而升温并发出热辐射,直到最后中心温度升到约800 至1000万度以上,由氢原子核聚变为氦原子核的热核反应提供足够 的能量,使内部压力与引力处于相对平衡状态,一颗恒星就正式诞 生了。 原恒星进一步形成恒星的收缩过程要持续几百万到几千万年 。 今天人们公认的恒星起源和演化 分为四个阶段: •引力收缩阶段—恒星的幼年期; •主序星阶段—恒星的中年期; •红巨星阶段—恒星的老年期; •白矮星和中子星阶段—恒星的临终期。 各阶段的恒星 1、原恒星——当云团中心温度达到2000K 时,中心形成内核,来自恒星内部的辐射 压将周围物质驱散,恒星逐渐露出,恒星“ 婴儿”就诞生了。 2、主序星——当恒星中心温度达到700万 度以上时,开始核聚变反应,恒星停止收 缩,形成了正常的恒星,进入了主序星阶 段。主序星阶段占恒星一生寿命的90%, 是恒星最稳定的阶段,类似于人类的中年 时期。 3、红巨星——随着核 聚变的进行,恒星中 心的氦核越来越大, 氦核周围的氢越来越 少,当氦核质量占到 恒星质量的12%时 ,恒星结构出现重大 变化,氦核收缩,而 恒星外层膨胀,体积 急剧增大,表面温度 降低。恒星进入了老 年期——红巨星或超 新星。 这阶段,恒星的氧-碳内核已经不再发生热 核反应,即使外层对核的压力增大内核也得 不到充分的压缩而引起碳-氧继续聚变,但内 核周围的氢层和氦层继续燃烧,并且向外扩 展,这种情况下,引力与排斥力开始不稳定 ,恒星便开始一鼓一缩 的脉动,红巨星稀薄的 包随着红巨星大气的, 中心星由于极高密度和 温度产生类似丧失爆发 的高速星风,将剩余的 气体与尘埃抛出,形成 不规则的块状结构和气 泡结。 4、白矮星、中子星和黑洞——恒星演化 到后期,星体的变化有越来越剧烈、越来 越复杂。最后产生大爆发,抛出大量物质 。外部形成行星状星云,内部塌缩成一颗 致密的天体——白矮星,或中子星,或黑 洞。恒星最后演化的途径,和恒星质量、 恒星氦核演变有关。 M<1.2Ms(Ms为太阳质量)的晚期 恒星,将演化为密度极大的白矮星 ,它由高密度的等离子体构成(密 度约为109千克·米-3~1012千克·米-3 )。 M<1.2Ms的恒星, 中心的氦核永远 也不会达到氦燃烧开始所需要的温 度, 它们在氢燃烧停止以后,直接演 化为白矮星。 1.2Ms<M<3.2Ms的晚期恒星,将 最后演化为中子星。所谓中子星是 由原子核瓦解后形成的高密度中子 气体所构成(密度约为4×1017千克· 米-3)。 M>3.2Ms的晚期恒星,它的内部再 也没有能抵挡住引力的作用机制了 ,因此不再存在稳定的结构,这种 星体将无止境地塌缩下去,最后形 成黑洞。 恆星的生命 演化圖2 太阳系的起源和演化 •一般以为行星系统是恒星形成过程的一部分, 但是也有学者认为这是两颗恒星差一点撞击而 成。最普遍的理论是说太阳系是从星云形成。 恒星形成的基本过程为此: 1. 星云中较密的核心部分变得太重,重心不稳 定,开始分裂和崩溃坠落。一部分的重心能量 变为放射的红外线,剩下的增加核心的温度。 核心部分开始成为圆盘形状。 2. 当密度和温度道足够高, 氘融合燃烧开始 发生,辐射的向外压力减慢(但不中止)临近其 他核心崩溃。 •3. 其他的原料继续下落到这一颗原恒星,它们的角动量 的作用可能导致双极流程。 4. 最后,氢开始熔化在星的核心,外面剩余的包围材料 被清除。 太阳星云这个假说,是1755年由伊曼努尔·康德提议。 他说,太阳星云慢慢地转动,由于重力逐渐凝聚并且铺 平,最终形成恒星和行星。一个相似的模型在1796年由 拉普拉斯提出。 太阳星云开始直径大约100AU,质量是现在太阳的两三倍 。在这个星云中,比较重的物质往中间落,积聚成块, 是成为以后的行星。而星云外部越来越冷,因此靠里的 行星有很多重的矿物质,而靠外的行星是气体或冰体。 原太阳大约在46亿年前形成,以后八亿年中各个行星形 成。 宇宙背景探测器描绘出的太阳系形 成初期的碟状尘埃星云 太阳系的生成 •万有引力使一团云气向內收聚,在中心形 成太阳,四周云气则形成扁盘状,当中的 尘埃則凝聚成各个行星。 今日的太陽系中心形成原始太陽 物質逐漸向中心靠攏 行星生成 星雲
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