(天文选修课)恒星

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星等
• 星等分类：目视星等m，肉眼看到的星等 绝对星等M，把星体放在10秒差距的距离处的视 星等 • 太阳视星等-26.70等，绝对星等4.8等 天狼星视星等-1.450等，绝对星等1.43等
• 织女星: 她的视星等？绝对星等？光度？距离？
恒星的大小
恒星质量的上限
恒星的大小
• 织女星：标准的0等星，距离25光年， 7.68pc，绝对星等= +0.59, 光度是太阳的49 倍，半径 = 2.9Rsun。 • 牛郎星：视星等+0.93，距离5.13pc，绝对 星等+2.38，光度是太阳的9倍，半径 = 1.72Rsun。 • 天津四：视星等+1.33，430pc，绝对星等 6.85, 光度是太阳的4.7万倍，半径 = 110Rsun ，质量 = 15-17Msun，很快会有惊人动作。
（5）赫罗图
• 什么是赫罗图？ • 丹麦科学家赫茨普龙 (E.Hertzsprung)于1911年 美国天文学家罗素（ H.N.Russell）于1913年， 分别独立的绘制了恒星的光 谱（有效温度）—光度（星 等）图。
有效温度
• 当一个辐射体是热辐射源时，其 辐射遵守普朗克黑体辐射定律。 • 温度越高的辐射源，其辐射峰值 频率越高 • 太阳的有效温度是5800K。
• 亮度最大时，膨胀速度最大， 温度最高，发射蓝色的光；亮 度极小时，收缩速度最快，温 度最低，发白光。 • 周光关系：M31距离的确定
爆发变星—新星
• 爆发变星：突然爆发出辐射能力的变星。新星、超新星 • 新星：亮度在短时间内（几小时至几天）突然剧增，然后 缓慢减弱的一类变星。 • 新星不是新产生的恒星。 • 双星系统中，巨星的氢流入白矮星，使得白矮星外层发生 核反应而爆发，称为新星。
恒星光谱型
• 在进行分光观测时，恒星表现出不同的光谱特征。正常恒 星的光谱由连续谱和叠加在其上的吸收线组成。
连续谱和吸收线
恒星光谱的分类
O型：蓝星，有效温度40000~30000K。 B型：蓝白星，有效温度30000~10000K A型：白星，有效温度10000~7500K F型：黄白星，有效温度7500~6000K G型：黄星，有效温度6000~5000K K型：红橙星，有效温度5000~3500K M型：红星，有效温度3500~2500K Oh Be A Fine Girl，and Kiss Me
太阳在银盘中的位置
球状星团中的恒星分布
天文学在军事中的应用
• ？？
天文学在军事科学中的应用
• 方向和定位：野外及海上； • 夜战策划时对野外明暗环境的预判； • 海岸海岛作战时对潮汐的预判；金门之战
天文与军事科学
• 航天器在太空中的姿态判断
天文与军事科学
• 为什么各大国都要研究月球？
天文与军事科学
不同的恒星系统
• 星团：是恒星的集团，其成员星的密度显著的高于周围空 间星的密度，并且通过彼此之间的引力作用而聚集在一起
• 疏散星团，它的形态不规则，包含十几至二三千颗恒星， 成员星分布得较松散。 • 球状星团，呈球形或扁球形，与疏散星团相比，它们是紧 密的恒星集团。
疏散星团
球状星团
球状星团在银河系中的分布
E2 m1 m2 2.5 lg E 1
其中两个天体的星等分别记做m1和m2，观测得到的辐射流量为 E1和E2。这种由观测流量直接给出的亮度值叫做视星等。
视星等反映的实际上是恒星在探测器上的照度，而非恒星自身的光度。 如果把恒星粗略看成是一个各向同性的点光源，则恒星的光度L与其照度E和 到该星的距离d之间有如下关系：
• 视差的概念：类似于炮兵测距的 三角测量法 • 除太阳外，距离我们最近的恒星 叫比邻星，（半人马座α ）距离 为4.27ly. • 问题：
– 1、如果一个恒星的距离是2pc,那么它 所对应1AU的张角是多少呀？ – 2、地球绕太阳公转半周，所观测到的 比邻星的最大视差大于一个角秒吗？
伊巴古卫星测距数据的重要性与 GAIA卫星
爆发变星--超新星
• 超新星：超新星的爆发规模比新星还要大，它发亮时亮度 的增幅为新星的数百至数千倍，抛出的气壳速度可超过 10000km/s。是所有变星中最壮观的一类，是恒星的灾变 性爆发。 • 辐射能估计为1042~1043J,抛出的物质质量达1~10m⊙,动能 达1043~1044J。 • 蟹状星云：超新星残骸，源于1054年超新星（天关客星） 的爆发。1052年7月4日，《宋史·天文志》有记载。
（3）恒星的光谱
• 光谱：复色光通过色散系统 （光栅、棱镜）进行分光后 ，依照光的波长依次排列形 成的图案 • 连续光谱：连续分布的，包 含红光到紫光各色光的光谱 ，炽热的固体、液体和高压 气体的发射光谱
• 原子光谱：固态、液态的物质在煤气灯下灼烧，气化发出 的光。每种元素的原子都有一定的明线光谱。明线光谱的 谱线叫做原子的特征谱线。 • 吸收光谱：高温物体发出的白光通过物质时，某些波长的 光被物质吸收后产生的光谱。连续谱的背景上出现暗线或 暗带 • 恒星光谱：美国哈佛大学天文台对50万颗恒星进行光谱研 究，根据恒星的谱线进行分类。将恒星分为O、B、A、F、 G、K 、M等光谱型，每一个光谱型又可以细分为10个次型 ，用数字0-9来表示。
E
L 4d 2
视星等m与恒星的光度L关系：
m 2.5 lg L 5 lg d 2.5 lg4
定义绝对星等M是一颗恒星位于10pc距离处所看到的视星等：
M 2.5 lg L 5 lg10 2.5 lg4
视星等和绝对星等关系：
来自百度文库
m M 5 lg d 5
• 超新星1987A：1987年2月24日在大麦哲伦云内发现的超新 星爆发，距地球约51,400秒差距。
三、不同的恒星系统
• 双星，为包含两颗恒星的系统，在相互引力的影响下，两 颗恒星绕着它们共同的引力中心描绘出闭合的轨道。较亮 的子星为主星，较暗的子星为伴星。 • 聚星，三颗到六、七颗恒星在相 互引力作用下聚集在一起而组成 的系统称为聚星。三颗星组成的 系统叫三合星，四颗星在一起的 叫四合星，以此类推。 • 北斗七星中的开阳是7合聚星 • 在银河系中，双星和聚星是很多的。 • 开阳的故事。
太阳是恒星中最普通的一颗
（1）恒星的距离和光度
天文学上的距离单位
• 天文单位（AU)：即日地平均距离，为1AU=149597870千 米，约1.496亿千米 • 光年（ly）：光在一年中走过的距离， 一个光年=0.946053×1016米，约94,600亿千米
恒星的距离
• 秒差距（pc）：它是一个天 文单位所张的角度为一角秒 时所对应的距离 1pc=3.08568×1016米 =3.26ly
• 小行星探索的新形势以及潜在的军事用途
小行星探索的新形势
• Planetary Resources
– NASA wants to bag an asteroid! Word is leaking out about NASA’s plans to catch an asteroid with a robotic spacecraft and tow it back toward Earth, where it would then be placed in a stable orbit around the Moon. There it can be a nearby destination for NASA’s human exploration program, and serve as an initial facility to help the development of asteroid mining technology.
恒星的有效温度
• 恒星不是一个标准的黑体辐射源，其辐射能谱也不遵守普 朗克定律。
• 但是我们可以将恒星的辐射等价为黑体辐射，把与恒星的 总辐射流相同的黑体所具有的温度作为恒星的有效温度并 由此定义Teff是恒星的有效温度。
• 在观测得到恒星的光度（星等）和有效温度（光谱型）后，可以将恒星 标绘在HR图上。HR图反应了恒星光度和有效温度之间的关系，总结了恒 星的许多观测性质，是研究恒星结构演化的重要方法。 • 从理论的要求来说，赫罗图应是将恒星光度L对其表面有效温度Teff所作 的图。
• 恒星的连续辐射随波长的分布， 近似于温度等于恒星有效温度的 黑体辐射能量的分布，因而恒星 的连续光谱也随光谱型而变化。 • 恒星的光谱分析在天体物理学中 占有重要地位，它可以定性或定 量的测定恒星的化学成分，直接 或间接的确定恒星的表面温度、 光度、直径、质量、磁场。
（4）恒星的化学成分
• 恒星的化学成分是通过恒星的光谱分析方法得到的。 • 太阳的化学成分：已证认出存在的元素69种，这些元素的 含量相差悬殊。按质量而言，氢78.4%、氦19.8% 、氧 0.8% 、碳0.3% 、氮0.2% 、氖0.2% 、镍0.2% 、硅0.06% 、硫0.04% 、铁0.04% 、镁0.015% 、钙0.009%„ • 大多数恒星的化学成分同太阳差不多。少数恒星的化学成 分是特殊的。例如：在碳型星中，碳元素特别多。在S型 星中，锆和锝元素特别多。 • 历史故事：研究太阳光谱给人类带来的进步。
二、变星
• 变星：凡光学波段亮度有变化，或光学波段之外的电磁辐 射有变化的恒星，不管是由于内在的物理原因还是外在的 几何原因，都称为变星。 • 分类：食变星、脉动星和爆发星 • 食变星：双星系统中的子星相互 掩食，造成双星系统的光变。 如双星大陵五
脉动变星
• 脉动变星：自身周期的膨胀和 收缩（大气层），致使亮度大 小都有脉动，如造父变星。脉 动变星占变星总数的一半以上 。周期从一小时以下到10年以 上。光变周期越长，亮度变化 越大，有周光关系曲线。 • 造父一：仙王座δ星，最亮时3.6 等，最暗时达到4.3等。光变周 期是5.5天。
星等
• 天文中表示天体明暗程度的表示方法，数越小，星越亮。 • 古希腊天文学家喜帕恰斯（旧译伊巴谷）编制星表时，把 全天人眼可见的星按感觉的亮度分为6等。亮的20颗星定 为1等，人的肉眼刚刚可见的最暗恒星为6等。亮度随星等 数目的增加而降低。 • 1等星比6等星亮约100倍。到19世纪发现，人眼的感光不 是线性的，而是遵守对数规则。 星等相差1等，亮度相差 2.512倍。 • 问题：
恒星 – 宇宙构成的基本单元
北京天文馆 张子平 2013.11.14
主要内容
一、恒星的性质 二、变星 三、不同恒星系统 四、讨论 五、星云和星际介质 六、恒星的结构和演化 七、恒星的归宿
重要通知
• 最后一次课（12月5日）需要交一篇天文领 域内的文章 • 唯一的要求是必须是自己原创的。
一、恒星的性质
• 恒星的概念：恒星，与行星不同，它们的位置看来固定不 变，因而古人称之为“恒”星，即固定不动的星。 • 一般来说，恒星都是气体球，没有固态表面，通过自身引 力聚集而成。它区别于行星的一个重要性质是它自己能够 强烈发光，其能量来源于核聚变。 • 定义：由炽热气体组成的，能自己发光的球状或类球状天 体。 • 太阳是一颗恒星。
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恒星的光度、照度和星等
光度：恒星内部产生的能量，不断向表层转移，最终从 恒星表面逸出，射向太空。光度为恒星的能量发射率 即整个星面每秒释放的能量。 照度：对于接受天体辐射的人眼或仪器来说，单位时间 入射到其单位面积的能量。表示某处感应器感应到的 恒星的能量。 亮度：我们看起来恒星的明亮程度。实际上就是照度。
– 织女星、牛郎星的视星等是多少？ – 一个0等星比一个10等星亮多少倍？ – 0等星，一个地面的专业天文台望远镜能探测到25等星，一个太空 望远镜能探测到30等星，它们分别比0等星暗多少倍？
在现代天文观测中，一般使用某种探测器接收来自恒星的辐 射，作为恒星亮度的表征。为了将测量结果与传统的星等进行 对应，普森建议用下式来对观测进行定标：