天体物理学 恒星

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可在日全食时观测到。
日冕:
太阳大气的最外层
温度 K
非常稀薄的电离气体 范围不定
日冕的高能辐射
2 太阳的能源
可能的能源:
Lord Kelvin (1824-1907)
热核聚变反应
核子1 + 核子2 核子3 + 能量
Sir Arthur S. Eddington (1882 - 1944)
质量亏损:
一般认为:
太阳内部能源 约98%产生于质子—质子循环, 约2%来自碳—氮—氧循环。
太阳在约50亿年前到达主序,现仍处于主序阶段。
三、太阳的活动 (solar activity)
太阳表层各种扰动现象的总称。 包括太阳 黑子、 日珥、 光斑、 日冕、 谱斑的出没 和耀斑的爆发等现象。
太阳活动对地球有着重要的影响。
第三章 恒 星
恒星
• 本身能发光的星球。
• 太阳是离我们最近的恒星。其它所有恒星离我们都非常 遥远
• 恒星世界丰富多彩:婴儿-原恒星、年幼-主序前星、青 壮年-主序星、晚年-红巨星、临终-白矮星中子星和黑洞
• 光度稳定的正常星、光度变化的变星、爆发的超新星。
恒星的结构和演化是天体物理学的重要核心问题
不知道恒星的距离
恒星空间的真实分布、运动速度、大 小
和质量、发射电磁波的真实强度, 等等?
不可能
怎样测量恒星的距离?
方法:
三角视差,分光视差,造父视差,力学视 差,星团视差,平均视差,哈勃定律, 等等。
1 三角视差法 (trigonometric parallax)
视差(角) 天文上,两个相对静止的观测者在两个不同的位 置上看到同一天体的方向之差。
恒星的距离通常以秒差距(parsec)或光年(light year) 作为单位。
令a = 1 AU为平均日地距离 (1天文单位),r为恒星 的距离,则
r 1/π ' ' (pc)
三角视差法测量恒星的距离
通过测量恒星在天球上(相对于 遥远的背景星)相隔 半年位置的变化而测得。
是最基本、最可靠的方法。恒星越远,视角差越小,要 求观测精度越高
(核子1 + 核子2)质量> 核子3质量
热核聚变反应要求粒子处于高温高密状态
热核反应原理:
结合能较小的原子核聚变成结合能较大的原子核 会释放能量
H燃烧
质子-质子链(proton-proton chain)
碳氮氧循环(CNO cycle)
恒星是稳定的气体球,其内部任意一点必须维持 流体静力学平衡:
17世纪初,伽利略观测到 黑子在日面的位置逐日变 化,发现了太阳自转。
1853年卡林顿 (R.C.Carrington)系 统地观测黑子时,发 现日面不同纬度的自 转角速度不同,
太阳的基本数据
太阳的化学组成
二、太阳的内部结构与能源
太阳的整体结构
1 太阳的分层模型 只能观测到太阳表面,但其通常取决于内部 的结构和状态。理论上建立起了分层模型
4 太阳耀斑
• 电磁能与离子的快速释放过程,是太阳上最强烈活 动现象。来势猛,能量大。在短短一、二十分钟内释 放出的能量相当于地球上十万至百万次强火山爆发的 能量和。 • 耀斑产生在色球和日冕的过渡区;
• 从射电到γ射线都有辐射,也称色球爆发。 • 耀斑通常与黑子活动有关。
作业:自学《天体物理学》P132-141 交阅读报告!!!
太阳的分层模型
•内核: 热核反应,产能区
•辐射层
•对流层 •光球
•色球
•日冕
光球
– 可见光辐射区, 厚度约100-500km
– 半径约700,000 km – 温度约6000 K
– 利用吸收线光谱 确定化学元素
色球:
位于光球上方
厚度约2,000 - 3000km
是稀薄和透明的气态物质
光度较低 产生发射线
B为基线的长度。 基线越长,可测量的恒星距离越远
周年视差 (annual parallax)
是恒星相对于地球轨道半长径
所张的夹角。天文上常简称“视差”
sin a / r a / r
测量得到恒星的周年视差,就可以计算出恒星的距离
距离单位
恒星之遥远,远到无法用公里来做单位。天文学家特别定 义了3把不同的尺子:
情人节太阳热吻(2011年) 瑞典阿比斯库国家公园
放电情人节 (2011年) 挪威维斯特罗伦上空
§3.3 恒星的形成和演化
恒星都有一个出生、成熟、衰老和死亡的过程,这就是 恒星的演化 对不同年龄段的恒星: 原始星胎、 原恒星、 主序前星、 主序星、 红巨星、 白矮星、中子星、黑洞 进行观测和理论研究,就可以了解恒星一生的演化。 演化两个重要因素:初始质量和化学成分
(向内的)重力= (向外的)压力差 核反应速率对温度十分敏感:
越往恒星内部,重力越强;内部压强自外向内逐渐增强; 温度自外向内逐渐升高。
太阳核心的温度由此可以估计为1500万度, 足以维持H的热核聚变反应的进行。
比H更重的元素的燃烧
当恒星内部形成Fe后,由于Fe的聚变反应吸热而不是放热, 恒星内部的热核反应由此停止,形成洋葱状的结构。
(1)恒星大小测定
(2)恒星质量的测定
1.双星系统
r3 T
2
根据开普勒第三定律,
G 4
2
r
M 1 M 2
2.质光关系 (Eddington , 1924) 对主序上部
L M 4 (L L )
对主序下部
L M 2 (L L )
恒星各参数的范围
光度
半径
104 L* / L 106 103 R* / R 103 101 M * / M 102 109 g/cm 3 1016 g/cm 3
近40年来,卫星测定太阳总辐照及其变化,以 太阳(总)辐照取代太阳常数。
太阳总辐照: 太阳垂直照射在离它1AU处每平方米面积上的 总辐射流。
整个地球仅接受它的一小部分:
是全世界总发电量的几十万倍
由太阳光度可算出太阳表面的平均辐射强度
取黑体辐射近似:
可算出太阳表面的有效温度为5777 K。
4 太阳的自转
三、日地关系
太阳是恒星的代表,恒星实验室。
极端的温度、密度、磁场和极大物理尺 度提供了地球实验室所无法比拟的物理条件, 可用来验证新的物理理论,也促进学科发展。
太阳对地球的影响
•地球能源的提供者; •耀斑对地球有巨大影响,耀斑产生强大的由高能粒子 组成的太阳风,吹到地球附近,对地球产生影响:
对地球上的电讯有强烈的干扰; 对航天器和宇航员有致命的威胁; 在地球大气高层产生极光,引起地球磁暴和磁扰
星际物质受到引力的作用,便聚集到这些区域,形成星云
星云不断收缩,势能转换为恒星内部热能和向外的辐射能 星云温度不断提高,并向外辐射能量,从而形成原始恒星
不同类型的恒星: 规模较小的星云形成一个孤立的恒星
大的星云由于密度不均匀,其中有几个质量中心, 因而形成双星、聚星或星团
质量非常小的星云,不能收缩成为恒星
隔半年的两次观测, 观测同一颗星,其视 位置会发生变化
AB:3亿公里
三角视差法的限制
2 分光视差法
1902年,丹麦天文学家发现恒星光谱中电离锶谱线
的强度和恒星的绝对星等 有关系;
1914年,美国天文学家建立起利用光谱谱线强度确 定恒星视差的方法。
分光视差 归算曲线
3 造父变星测距法
恒星的相对位置几乎保持不变;明亮程度也似乎不发 生变化;因而称它们为恒星
①天文单位(AU) 太阳和地球之间的平均距离称为1天文单位
1AU 1.4959870 1011m
②光年(ly) 光1年所走的距离
1 ly 0.946053 1016 m
约10万亿公里
③秒差距(pc )
把恒星视差为1角秒 时, 恒星所对应的距离作为一种单位:
秒差距
1 pc 3.086 1016 m 3.26 ly 206265 AU
恒星不恒
事实上,恒星有很高的运动速度 有的可超过每秒一千公里
亮度也在发生变化:各类变星 造父变星是特殊的一类
造父变星
测出一批知道距离 的造父变星得到光 变周期和绝对星等 关系—周光关系
造父变星测距法
三、恒星的大小与质量 恒星的大小:
线直径:大到:几百-----一两千倍太阳直径 小到:0.01倍太阳直径----白矮星, 中子星直径只有20km
是探索宇宙演化奥秘的重要途径
§3.1
一、星的亮度
1 视星等
恒星基本知识
则:
部分天体的视星等
另外还有:
2 绝对星等
二、恒星的距离及其测定
• 我们肉眼只能知道恒星在天球上的投影的位置。
两颗挨得很近的恒星,实际上在纵深方向上可能离 得非常遥远,远的暗的星也可能比近的实际上更亮!
万有引力重要!!!
万有引力重要!!!
对于一个如星云的自引力体系,当星云的质量足够高
时,(向内的)引力超过由热运动和湍动产生的(向外 的)压力,将引起星云的收缩。这个质量称为星云不 稳定质量,也叫金斯(Jeans)质量: 中性氢云:n ~1cm-3, T ~100K→MJ~3×104 M⊙
太阳风
• • • • 太阳释放的快速带电粒子流; 太阳风源于日冕的高温; 质量损失率10-12 g/s 太阳风主要通过冕洞向外流失。
2011年2月15日太阳耀斑爆发
太阳风与极光
• 来自太阳的带电粒子闯入地
球高层大气,和大气中的分子 或原子碰撞而产生的放电过程, 称为极光。是唯一能用肉眼看 到的高层大气中发生的物理现 象 • 由于地球磁场的作用,太阳 高能粒子到达地球时就向地球 磁极靠拢,因此在地球上高磁 纬地区能看到极光。
黑子强磁场使物质冻结在磁力线上, 抑制了对流,能量传输绝缘
说法二
阿尔文波将能量从黑子区域带走,从而使黑子冷却
黑子在日面上的分布存在明显规律: a.纬度分布的不均匀性 b.东西的不对称性 纬度分布的不均匀性:
几乎所有的黑子都分布在±8度---±45度 的纬度范围内。 每个活动周开始 黑子出现在高纬 区,然后逐渐走 向低纬区(斯玻 勒定律): 蝴蝶图
是地球半径的109倍,体积是地球的130万倍。
太阳半径变化:曾得出太阳半径有周期76年、最大 振幅0.8″(约600公里或相对变化0.08%)的振荡。
精确测定太阳半径是极为困难的
2 太阳的质量
利用开普勒第三定律(修正的):
3 太阳的光度 太阳的光度: 太阳在各波段的总辐射流(总功率).
太阳常数: 单位时间垂直射入地球大气外单位面积上的能量。 地面测量归算出大气外的值为:
质量 密度
§3.2 离我们最近的恒星 —太阳
2011年2月16日,美国航空航天局(NASA)公布太阳释放耀斑的图片。 太阳在15日释放出4年来最强烈的耀斑,这有可能在地球大气层产生磁暴,对 电力供应网和通讯系统产生影响。
一、太阳的概况
1 太阳的大小
已知日地距离a ,测定太阳圆面的视角半径ρ, 可得:
• 爆发日珥以每秒700多公里的速度喷发到日冕中去。
与黑子有密切联系,运动与磁场有关
从形态上分:
宁静日珥、活动日珥和爆发日珥
实际分类很复杂。
3 太阳光斑与谱斑
• 光斑:光球边缘大块增亮区域,比光球亮5%-10%左
右;与黑子关系密切,有磁场
• 谱斑:又叫色球光斑,延伸区基本与光斑一致,但
两者相关性较弱;大多数与黑子密切相关。
黑子东西的不对称性: 在日面东西边缘的数目不一样: 日面东半边的黑子总比西半边的更多,同时从日 面东边缘转出的黑子也比在西边缘消失的多。
一般解释:仅为视觉或光学现象
太阳黑子相对数有11年变化周期
2 太阳日珥
•突出日面的物质抛射, 色球层的活动现象, 美丽壮观。
• 日珥比光球暗得多, 也只有在日全食时 或使用色球望远镜 才能看到。 • 日珥一般高约几万公里,大大超过了色球层的厚度, 进入日冕层,来自色球/日冕的冷气体云。
太阳活动对地球有着重要的影响。
耀斑爆发景象
紫外波段图像
2011年02月17日太阳强耀斑袭地球,影响卫星运行和地球通讯等
1 太阳黑子 – 光球上不规则的黑色区域, 大小约10,000千米, 温度约4000 –4500 K
– 通常成群出现
太阳黑子为什么冷?
说法一
太阳黑子处的磁场比周围区域磁场强1000倍左右, 黑子越大,磁场越强,有变化
一、恒星形成
大爆炸宇宙学认为:宇宙的极早期,宇宙的温度和密度都 极高;温度不断下降,宇宙辐射为主物质为主;气体逐 渐凝聚成气云,然后形成恒星、星系
早期
大爆炸
第一代 结构
现在
1 恒星形成理论:弥漫学说 散布于空间的弥漫物质在引力作用下凝聚为恒星。
宇宙空间存在着大量的星际物质: 原子/分子/尘埃
由于星际物质密度的不均匀性,形成了一些密度较大区域
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