1.3 恒星的一生和宇宙的演化

新星爆炸后，恒星可有三种不同的结局: 如果爆炸后残余的核心的质量少于太阳质量 的1.4倍，核心会演化为白矮星。 爆炸后残余的核心，假如其质量介乎太阳质 量的1.4至3倍，中子简并压力便能抗衡恒星的收 缩，形成稳定的中子星。 但当残余核心的质量大于太阳质量的三倍， 中子简并压力也无法抗衡恒星的收缩，并且再没 有任可力量可以阻止恒星的塌缩，形成黑洞。
人们是怎样能推测出曾经可能有过宇宙大爆 炸呢？我们的太阳只是银河系中的一两千亿个恒 星中的一个。
银河系同类的恒星系 —— 河外星系还有千 千万万。观测中发现那些遥远的星系都在远离我 们而去，离我们越远的星系，飞奔的速度越快， 因而形成了膨胀的宇宙。
对此，人们开始反思，如果把这些向四面 八方远离中的星系运动倒过来看，它们可能当 初是从同一源头发射出去的，是不是在宇宙之 初发生过一次难以想象的宇宙大爆炸呢？
随着这些区域慢慢收缩，最终会形成一 个球体，称为原恒星。
假若原恒星的质量足够大，其核心温度 会慢慢增高，最后引发核聚变产生能量，发 出的热力会将外围的气体驱散，这时一颗新 的恒星便诞生了，并进入主序星的阶段。
3.恒星的青壮年时期——主序星阶段
从主序星开始，不断将氢原子合成氦原子， 产生能量。核聚变所产生的辐射压力抵销了重力， 这时恒星进入了稳定状态，人们发现有百分之八 十至九十的恒星都是主序星，他们共同特征是核 心区都有氢正在燃烧。
恒星的一生
二、大爆炸中的宇宙
世界是怎样开始的，我们的地球以 及整个太阳系是从哪里来的?这是哲学家 解释世界所不可回避的问题。
时间上是上百亿年，
空间上是上百亿光年
人类目前观 人 测到的宇宙 类 认
宇宙的特性：
物质性：天 体—多样性
运动性：天体
识 的 宇 宙 宇宙中
的地球
普通天体
宇宙环 境条件
统—层次性
质量大的恒星
(大于4倍太阳质量)
质量大的恒星，在氢燃料耗尽之后，不但能将 氦合成氧，将核心的氧转化为碳，其核心温度甚至 高得足以将碳合成更重的元素例如硅，直至合成铁。
由于核心产生高热，恒星的外壳会膨胀得比红 巨星更大，成为超红巨星。
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5.恒星的归宿——致密星
致密星：白矮星、中子星、黑洞
由于没有能量产生，核心将会因引力而塌缩， 密度亦越来越高，核心的质子与电子在巨大压力下 结合成中子，并产生中子简并压力抗衡核心的进一 步收缩，形成非常坚硬的核心。同时，核心外围的 物质仍然在急剧塌缩，并与坚硬的核心相撞，产生 强大的冲击波，将恒星的外壳于短时间内炸毁，称 为超新星。在这一瞬间，比铁更重的元素会在此时 合成，爆炸所产生的光度有时比整个星系所有恒星 光度的总和更大。
A．行星 B．彗星 C．卫星 D．恒星
4．太阳最终将变成 ( B ) A．红巨星B．白矮星C．超新星D．中子星或黑洞
5．比太阳更大的恒星最终将演化成( D )
A．红巨星 B．白矮星
C．超新星 D．中子星或黑洞
6．在宇宙中，密度最大的是
A．铂
B．白矮星
C．黑矮星 D．中子星
( D)
思考（第24页）
1.赫罗图有三类恒星，即主序星，白矮星， 巨星，其中巨星包括红巨星和超巨星。顺便说明 位于赫罗图左上方的主序星温度高，光度大，常 称为蓝巨星。蓝巨星是主序星的一部分。
大爆炸理论 勒梅特于1931年创建
大爆炸宇宙产生示意图
时刻 (大爆炸 后的)
0.01秒
温度(宇宙 温度下降
到)
10×1011K
密 度(宇宙密 度下降到水密
度的倍数)
宇宙内容物
3.8x109
光子、电子、正电子、中微子、反中微子和少量 质子及中子，它们都处在热平衡中
0.12秒
宇 1.1宙0秒
演 13.化83秒
质量与太阳相约的恒星 (0.4倍至4倍太阳质量)
大部分恒星，当核心的氢燃料耗尽之后，核心周 围会堆满氦气，能量产生的速度放慢至不足以抗衡重 力，氦核心开始收缩并释放热能。
当核心的温度足够高的时候，邻近核心的氢外壳 会被燃烧，产生核聚变，令外壳膨胀。同时，随着外 壳膨胀，外壳因表面面积增加而冷却，成为核心温度 高，表面非常巨大但温度低的红巨星。例如太阳将于 50亿年后膨胀成一颗红巨星，将水星与金星吞噬。
质量与太阳相约的 恒星的演化: （1）主序 星 （2）红巨星 （3） 行星状星云 （位于中
央的核心会冷却成白矮 星）
质量比较大的恒星， 核心的温度可以将氦燃点， 合成更重的元素(如氧和 碳)。这些核聚变的过程并 不太稳定，令恒星产生脉 动，吹出恒星风，将外壳 拋开，又或者核心的温度 无法再合成更重的元素， 成为行星状星云。 失去外壳的核心会冷却下 来并开始变暗，成为白矮 星，并持续冷却及变暗而 成为黑矮星。
1．宇宙诞生于 ( D ) A．公元4004年以前 B．上下不过五千年 C．38亿 年以前 D．150亿年以前
2．下列有关宇宙的叙述中，正确的是（ C ） A．宇宙是除物质以外的所有空间 B．宇宙是太空中所有的物质 C．宇宙是所有时间、空间及物质的总称 D．宇宙物质有不同形态且处于静止中
3．晴朗的夜空中的满天星斗是（ D ）
3．在各种不同天体上，氦密度相当大，而 且大都是30％。用恒星核反应机制不足以说明为 什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温 度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一 事实。
4．根据宇宙膨胀速度以及氦密度等，可以 具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论 的创始人之一伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很 冷，只有绝对温度几度。1965年，在微波波段上 探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度约为 3K（绝对温度值）。
• 恒星的一生 1.赫罗图与恒星分类 2.恒星的诞生 3.恒星的青壮年时期——主序星阶段 4.恒星的老年期——巨星 5.恒星的归宿——致密星
• 大爆炸中的宇宙大爆炸理论。
（2008年海南卷）最近，天文学家在银河 系中心发现了一颗140年前形成的超新星，这是 迄今为止在银河系发现的最年轻的超新星。
能力目标
• 提高读图和分析资料的能力。
情感态度与价值观目标
• 树立科学的宇宙观，以及热爱科学勇于探 索的精神。
重点
• 知道恒星的不同发展阶段。 • 了解大爆炸宇宙论的主要观点。
难点
• 大爆炸宇宙论。 • 恒星的一生演化过程。
一、恒星的一生
恒星是指宇宙中靠核聚变产生的能量 而自身能发热发光的星体。过去天文学家 以为恒星的位置是永恒不变的，以此为名。 但事实上。恒星也会按照一定的轨迹，围 绕着其所属的星系的中心而旋转。
你知道哪些有关宇宙起源的神话故 事？
星空是美丽的，享受美丽的同时你 是否曾经思考过：宇宙从何而来呢？
太阳等各种恒星诞生后会发生变化 吗？恒星真的能永恒吗？
• 恒星的一生 • 大爆炸中的宇宙
知识目标
• 知道恒星的不同发展阶段：红巨星、超巨星、中子星、 白矮星、暗矮星和黑洞；
• 了解大质量恒星的演变过程； • 知道宇宙膨胀的现象和证据； • 了解大爆炸宇宙论的主要观点。
中微子和反中微子脱离热平衡。在质子和中子的 总数中质子占76％
电子和正电子脱离热平衡，质子占质子与中子总 数的83％
形成氦原子核，宇宙中幸存的中子全部被结合到 氦原子核中(质子占质子与中子总数的87％)
光子、中微子、反中微子、少量电子、氢原子核、 氦原子核，不再处在热平衡
宇宙从辐射为主转向以实物为主
电子和原子核结合成为原子
太阳诞生
地球上出现生命
大爆炸模型能统一地说明以下几 个观测事实：
1．大爆炸理论主张所有恒星都是在温 度下降后产生的，因而任何天体的年龄都 应比自温度下降到今天这一段时间为短， 即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证 明了这一点。
2．观测到河外天体有系统性的谱线 红移，而且红移与距离大体成正比。如果 用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙 膨胀的反映。
简 3分史47秒
3×1010K 1×1010K 3×109K 9×108K
34分41秒 3×108K
1万年 100万年 100亿年 150亿年
4000K 3000K
3K
3x107 3.8x105
0.1
光子、电子、正电子、中微子、反中微子和质子 及中子(但质子数要增加一些，占质子与中子总数 的62％)，它们都处在热平衡中
4.恒星的老年期——巨星
主序后的演化 恒星演化的第一阶段 是氢的燃烧阶段，即主序 阶段。在主序阶段，恒星 内部维持着稳衡的压力分 布和表面温度分布，所以 在整个漫长的阶段，它的 光度和表面温度都只有很 小的变化 。
质量小的恒星(小于0.4倍太阳质量)
质量非常小的恒 星，如半人马座比邻 星，它们的燃料会消 耗得很慢，寿命可维 持二三千亿年。当它 普通恒星--质量小的恒星 们到达生命的尽头， (小于0.4倍太阳质量)的演化 它们会慢慢收缩使温 红矮矮 星质星(本量, （图小2不）的依恒白比星矮例的星)演, （化3）: （黑1）度再成上持为升续黑， 冷 矮成 却 星为 及 。白 变矮 暗星 而，
后来又观测到了充满宇宙的微波背景辐射， 就是说大约在150亿年前宇宙大爆炸所产生的余 波虽然是微弱的但确实存在。
这一发现对宇宙大爆炸是个有力的支持。
大爆炸的发生，距离现在约150亿年了。怎么能证明 150亿年前发生过这样的爆炸呢?
按照大爆炸宇宙模型的理论，爆炸形成的宇宙一直在 降温，恒星是在 降到40000K以下时才开始 形成的，现在测得最老的 星系的年龄都只有100多亿 年，符合这个理论的推断。
完成下列要求。
（1）这颗超新星的质量___大_____（大、小）于 太阳。
（2）简述超新星在恒星演化过程中处于的阶段 及前身和归宿的名称。
处于巨星向致密星演化的阶段，前身为 超巨星，归宿为黑洞或中子星。
【解析】根据现在的认识，超新星爆发事件就是一颗大 质量恒星的“暴死”。对于大质量的恒星，如质量相当于太 阳质量的8-20倍的恒星，由于质量的巨大，在它们演化的后 期，星核和星壳彻底分离的时候，往往要伴随着一次超级规 模的大爆炸。
稳定的太阳 光照 安全的运行轨道
特殊天体
日地距离适中
自身物 质条件
体积、质量适中
地球内外温度变化
宇宙的起源假说之一： 起初，宇宙很小，几乎只有不足原子核大小 的一个点,称为“奇点”,但其中包含极大的热能 量，直到最后奇点中容纳不下这样的热量，发生 了大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒 子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙 中的各种物质、能源、空间及时间。 至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇 宙图景理论。
赫罗图
宇宙和地球
2.恒星的诞生
恒星与生命的联系不仅表现在它提供了 光和热。实际上构成行星和生命物质的重原 子就是在某些恒星生命结束时发生的爆发过 程中创造出来的。
恒星的一生
恒星是由分子云内诞生，当分子云受到 外来干扰，例如附近有星系诞生或超新星爆 炸所做成的冲击，令分子云某些区域被压缩， 形成密度较高的区域，在万有引力的作用下， 这些密度较高的区域开始收缩。
超新星爆炸
特别是盖莫夫作出的预言：在大爆炸的特殊宇宙背景 下产生出来的微波辐射，至今还存在于宇宙空间中，其温 度应已降低到只有绝对温度几度。
1964年，威尔逊山上一台高灵敏度的射电天文望远镜， 在各个方向都测得一种3K的微波背景辐射。大爆炸理论得 到了有力的支持。
发现者彭兹亚斯和威尔逊为此得到了1978年的诺贝尔 物理学奖。
还有一个证据是，现在测得的不同天体上氦的丰度， 一般都达到20％左右，仅靠太阳上那种氢合成氦的作用， 在150亿年左右的时间里是不能造出这么多氦的，而大爆 炸能做到。
因爆炸而使星系间的距离拉开，更已是熟知的事实。
宇宙起源于大爆炸的场面是令人惊叹和着迷的，这种 假说已为越来越多的人所接受。
然而，也许有关这个大胆设想的证据永远都难以充分， 不过它给我们带来的问题，确实值得好好地研究。
主序星 赫罗图与恒星分类 巨星
致密星
星云
恒 恒星的诞生 原恒星
星 的
恒星
一 生
恒星的青壮年时期——主序星阶段
恒星的老年期—巨星
白矮星 恒星的归宿——致密星 中子星
黑洞
1.赫罗图与恒星分类
恒星分类
表面温度 光度
1911年丹麦天文学家赫茨普龙，1913年美 国天文学家罗素各自独立绘出恒星的光度—温 度图，发现大多数恒星分布在图中左上方至右 下方的一条狭长带内，从高温到低温的恒星形 成一个明显的序列，称为“主星序”。为了纪 念两位科学家作出的贡献，人们称这种图为 赫—罗图(HR-diagram)。