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学生社团Dynamic campus
一、宇宙中的天体(一)
实验高中社团 时间:2014-10-30
  

(一)初识恒星

    恒星的多样性

恒星的化学组成基本一致,质量差异也不大(相对于其他物理参数而言,比如密度等),可谓大同小异,但是,他们存在的形式却是五花八门和复杂多样的。

——单星、双星和星团

一般的恒星是单个存在的,。但是一些恒星却是成双成对的,我们称之为双星。例如,全天最亮的天狼星其实就是一颗双星。只不过其伴星光度很小,我们肉眼看不见。在已经发现的恒星中,双星约占三分之一。双星分为光学双星物理双星两类。前者在天球上位置很靠近,但实际上在视线方向上却很远,并无物理上的联系,这类双星称之为视双星假双星。后者两个子星空间上渐进,由于相互吸引相互绕转,是真正的双星。若双星绕转的轨道平面平行于视线方向,会发生周期性的相互掩蔽,从而发生亮度的变化,叫做食双星。有的双星的子星本身也是一对双星,比如,半人马座α(南门二)实际上是一颗三合星。它由A、B、C三星组成,其中的A和B是一对双星,二者又同C结成双星。按目前的位置,C星更接近我们,他是现在的比邻星

在恒星的世界里,还有许多恒星集中分布在一个较小的空间,彼此有屋里联系,形成一个稠密的恒星集团,叫做星团。例如,金牛座的昴星团(俗称七姐妹,事实上肉眼只能见到六颗星),一簇小星密集在月轮大小的天区内,比头等明星更引人注目。其实,它的成员多达280余个,天文上称之为疏散星团。最庞大的星团由数十万颗恒星聚集而成,它们呈球对称状分布,因而被称为球状星团。例如全天最亮的球状星团半人马座ω。

——变星新星超新星

大多数恒星的光度是稳定的,短时期内几乎没有变化,太阳就属于这一类恒星。但是有些恒星的光度在短时期内发生明显的、特别是周期性的变化。变化的周期,长的科大几年到几十年,短的只有几日甚至几小时。这样的恒星成为变星。银河系内已发现的变星约有2万多颗。按其成因,变星可分为食变星脉动变星爆发变星三类。

食变星又叫几何变星。它的亮度变化是由于双星相互绕转时发生交食现象引起的,即前面所讲的食双星。最著名的、也是最早被发现的食变星是英仙座β(中文名字大陵五),有魔星之称。该恒星平时的亮度约为2.2等,当变星掩蔽主星时,在四小时50分钟内,亮度减为3.4等,然后经过同样的周期,迅即又恢复到原来的亮度。它的变光周期为2日20时49分,变化十分有规则。

脉动变星和爆发变星又叫物理变星。它们的亮度变化是由于恒星内部或其大气物理状况变化所致。脉动变星是恒星发生周期性膨胀和收缩而引起的光度的变化:膨胀时光度变大;缩小时光度变小。已知银河系内的脉动变星有一万多颗,约占变星总数的一半。爆发变星是星体爆发现象而引起的光度变化。爆发变星中,亮度在很短的时间内(几小时至几天)突然剧增、然后缓慢减弱的恒星叫新星。在爆发过程中,新星虽然释放大量的能量和损耗一部分质量,但以后仍作为一颗恒星而继续存在。爆发规模特别大的变星叫超新星。其光度变幅超过17个星等,即亮度可突然增强到原来的几千万倍甚至近万万倍。这是恒星临终前的回光返照。经过这样的爆发后,超新星只留下一个之谜的残骸,而不再是通常意义上的恒星了,银河系里已经发现170余颗新星和4颗超新星。我国北宋至和元年1054年所记录的天官客星即金牛座ξ,是最著名的一次超新星爆发。它的遗迹不断扩散,形成著名的蟹状星云。

——巨星超巨白矮星

恒星的世界也分为巨人和侏儒,它们的体积大小十分悬殊。然而恒星的大小事无法直接测定的,即使在最强有力的望远镜视场里,恒星也不分大小,都是一个光点。它们的大小,具体反映在恒星的光谱型(温度)和光度(绝对星等)的关系上。

19世纪中叶,发现恒星有距离上的差别后,随即就知道,恒星还存在着光度的差异。一旦获得了恒星的温度和光度的大量信息后,下一步很自然的会把这两方面知识联系起来,建立一种关于恒星理论的至为重要的关系。上个世纪初,丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素,不约而同的绘制了恒星的光谱型和光度的坐标关系图,简称光谱-光度图,通常也叫赫罗图。它以恒星的光谱型(温度)为横坐标,以它的光度(绝对星等)为纵坐标,每颗恒星按照各自的光谱型和光度,在图上占有一定的位置。

    赫罗图的一个明显的特点是,恒星并不是在图上到处分布的,大多数(90%以上)恒星分布在从图的左上方至右下方的一条窄带上,温度由高到低,光度由大到小,形成一个明显的序列。这条窄带叫做主星序;位于主星序上的恒星,则被称为主序星。这个关系图表明,大多数恒星的光度,决定于它们的温度,即恒星的温度越高,其光度就越大。

同主序星相比较,赫罗图上有三部分恒星情况殊异一部分集中在图的右上方,它们的温度不高,但光度却很大。这等于说,一颗“冷星”却又十分明亮。对此,唯一的解释只能是它们的体积很大,因而增加了发光面积。这部分恒星叫红巨星。在红巨星的上方,一直延伸到图的左侧,是一些超巨星。其中,低温的红超巨星是恒星世界的“超级巨人”为数不多,赫茨普龙把它们喻为“鱼中之鲸”。目前已知的最大恒星为仙王座VV,其半径约为太阳半径的1600倍,体积超过太阳的40亿倍。巨星和超巨星在恒星的世界里所占比例不到1%。

另一部分恒星分布在赫罗图的左下方。它们的温度相当高,但光度却很小。这表明,它们的发光面积不大,体积很小。这些小而热的白矮星。最先发现的一颗白矮星是天狼星的伴星。其半径只及太阳半径的0.75%;体积比地球还小,可却具有与太阳相仿的质量。在太阳系附近的恒星中,白矮星大约占10%。

恒星世界的一个奇妙特征是,巨星和矮星在体积上的差异,犹如动物世界中大象与蝼蚁的差异;然而,它们的质量却不相上下。可想而知,恒星的密度也存在着惊人的差异:巨星十分稀薄,白矮星则非常致密,其中心密度是水的100万-1000万倍。

赫罗图的一项应用,是求主序星的距离。只需知道恒星的光谱型,便可从它在赫罗图主星序的相应位置,直接得知其光度,再根据恒星的视亮度,就能按平方反比定律求知其距离。赫罗图还反映出恒星的演化程,图上不同的序列,意味着恒星生命史上的不同演化阶段。

——脉冲星和中子星

上世纪60年代,天文学家发现了一种新型的变星,它有规律的发出射电脉冲讯号,所以取名为脉冲星。脉冲星的周期很短,最长为4.3s,最短的只有0.0016s,而且十分准确稳定,间隔的误差仅为0.00000001s。

什么样的天体能如此快速而稳定的发射脉冲讯号?一个天体发生周期性变化,其可能的机制不外乎三种:轨道运动、脉动和自转。显然,前两者这没有可能的,不可能设想恒星相互绕转的周期短到0.033s。所以,脉冲星不是食变星。同理,脉动周期也不会短到不及几百分之一秒,且脉动不具有那样严格的准确性,所以,脉冲星也不是脉动变星。剩下的唯一的可能是恒星自转。可是,如此疯狂的自转,不要说普通恒星承受不了,连白矮星那样致密的天体也会分崩离析。于是,学者们认定,它只能是人们早已预言的中子星。

中子星是由中子组成的恒星。这是由于恒星演化到晚期,能量枯竭。若经引力坍缩,其剩余质量大于某一极值时,电子运动都不能抗衡原子和吸引力,就继续坍缩,经逆β衰变形成大量自由中子,致使恒星密度很大,体积很小,形成中子星。中子星的直径只有几十km,而它的质量可以超过太阳。白矮星的密度已使惊叹不已,中子星的密度比它还要高出一亿倍以上。每立方厘米的这种物质,可达几亿吨到10亿吨!这样超高密的天体,有足够强大的自引力,不致因高速自转而瓦解。

中子星是如何发出脉冲的呢?学者们认为,在这样的天体上可能形成一种条件,使它的射电波主要是从其表面的局部地区发射出来,而其他部分的辐射很弱。这样,中子星会像一个旋转着的喷头一样发出射电波,每转一周便朝观测者方向射来一束电波,这种间歇性的闪烁被称为灯塔效应。

脉冲星名称是指天体辐射的表现形式;中子星则表明这种恒星的物理实质。