宇宙天体第一章恒星以及演化过程.docx

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宇宙天体第一章恒星以及演化过程

目录                            

1.1恒星    1.1.1太阳

1.2黑体    1.2.1黑体辐射

1.3变星    1.3.1食变星    1.3.2脉冲星                     1.3.3爆发星    1.3.2.1脉动变星

1.4恒星的归宿    1.4.1红巨星    1.4.2白矮星

1.4.3超新星    1.4.3.1中子星    

1.4.3.1.1脉冲星    1.4.3.1.2磁星

1.4.3.1.3夸克星    

1.4.3.2黑洞    1.4.3.2.1类星体 

1.4.2.1黑矮星

  注:

前一数字相同表示同一个分类                  

                        前言

当你仰望天空，使用望远镜，用电脑模拟，碰到一个从来未见过的天体，你一定会感到疑惑。

你或许会想了解，这是什么“天体”?

天体，就是指宇宙空间中的宏观物体。

这些物体一般指恒星，行星，卫星，星云，彗星，陨石，黑洞等。

如果你想学好天体物理，亦或是想学好量子力学，了解这些天体是有很大作用的。

这些天体，不光是与宏观的天体物理，或是与量子力学都有关。

从光谱，从类型，到发光原理，再到支撑方式，一切都需要这些学科的支撑。

想要详细了解，就至少需要理解这些基础天体的知识。

为了解开你心中的种种关于“天体”的疑惑，现在，就让我们一起来讲述，关于“天体”的故事吧！

第一章:

恒星以及演化结果

就从我们的造物主开始。

我们的故事，都围绕它而展开——太阳。

假如我们没有这个母亲，我们很难想象我们是如何出现的，我们的地球可能一直一直漂浮在宇宙空间里，我们没有受到可照光的眷顾，我们的一切一切都存在黑暗里。

好好想想，这是多么的恐怖，这可能导致生物也无法出现。

那么我们的地球就不可以称之为地球了，我们的地球可能只是一片冰冻，毫无生机。

总之，快感谢我们的太阳母亲吧！

                  1.1恒星

回归正题，像这样发光发亮，却很稳定的星体，我们就称之为恒星，

如果没有恒星，我们的宇宙可能是黑的。

谈到黑，我又想起了一件事，恒星又是黑体。

                  1.2黑体

什么是黑体？

—黑体就是不反射不透射任何电磁波，任何辐射和能量的物体，听起来很像黑洞吧？

其实不然，黑体还能够自主发射电磁波，辐射和能量。

恒星就是如此，只吸收，但发射。

（这就是一个黑体，超红巨星大犬座vy，体积在太阳的50亿倍左右，白色剪头所指的点就是我们的太阳）

而温度的不同又决定了黑体的颜色

                 1.2.1黑体辐射

根据黑体辐射

700k以下黑体就是黑色

700k以上黑体开始呈现红色

4500k以下为橙红色，温度越低越红

6000k以下为黄绿色光

6000—7500k为明亮的白色

30000k以上为蓝色

[开尔文（k）是热力学国际温度单位，1k=272.15℃]

我们的太阳是橙红色的，这下应该你能估计太阳表面温度了。

                    1.1.1太阳

再继续说我们的太阳

先上一点详细数据

质量：

1.9891×10^30kg

平均密度：

1.408×10^3kg/㎥

直径：

1.392×10^6km

表面温度：

5770K

逃逸速度：

617.7km/s

视星等：

（V）−26.74

绝对星等：

4.83

自转周期：

25.05天

赤经：

286.13°

赤纬：

+63.87°

距地距离：

1.496×10^8km

公转周期：

（2.25–2.50）×10^8a

半径：

6.955×10^5km

太阳体积大，质量，密度也大，占据了太阳系99%的质量，我们都是她的孩子。

太阳（恒星）的结构图

在恒星的内部核，存在大量的氢，巨大的密度和压力，使得氢开始进行核聚变，我们的太阳就是因为核聚变而得以发光发亮。

所有恒星都在进行核聚变，质量越大，核聚变效应越强大，所以会更亮，就比如参宿七，因为温度极高，而变成了蓝色表面。

太阳的核本身是一个能量体，本身就在进行热辐射，所以不会坍塌。

太阳的表面和中层，是呈现等离子态的，就像是超级浓超级烫的液体一样。

为什么这样的表面不会坍塌呢？

核聚变内部向外产生热辐射，热力向外膨胀，而质量又使得恒星向内坍塌，这样一来两种力相互平衡就形成了恒星的稳定表面。

                    1.3变星

然而有一种恒星的表面又是不稳定的，那就是脉动变星，想要知道脉动变星是什么概念

就得知道啥什么是变星

变星一般指的是亮度和电磁辐射与物理性质等会发生变化的恒星，他们的亮度，辐射等一般都不稳定。

变星一般分为三种:

食变星，脉冲星，爆发星

           1.3.1食变星

食变星是指双星或多星中，一个恒星遮挡另一个恒星造成的亮度变化

           1.3.2脉冲星

而变星里的脉冲星分成两种，一种是不断周期性发射脉冲的脉冲星，脉冲星到后面再阐述。

还有一种是自身周期膨胀收缩而导致大小和亮度脉动变化的恒星，也称为脉动变星

              1.3.3爆发星

第三种变星，爆发星，就是指的亮度突然增强然后又慢慢变暗的恒星，一般指的是新星和超新星，这里到后面再加以阐述

               1.3.2.1 脉动变星

上面所说的表面不稳定的恒星就是脉动变星

脉动变星会因为体积的增大增小而改变物理性质，例如亮度，辐射，磁场等。

脉动变星还分为三种:

规则，半规则，不规则

规则指光变周期稳定的

半规则指光变有规律但是周期不稳定的

不规则指光变周期完全无规律的

（光变周期指该脉动变星从亮到暗再到亮的过程所经历的时间）

规则的还分为长周期，短周期

长周期为90–700天左右

短周期为1–80天左右

                      1.4恒星的归宿

当恒星演变到后期后，燃料开始耗尽，氢聚变开始变弱，热辐射开始变弱，恒星的表皮就开始向内坍塌，由于密度加大，粒子活跃程度变高，温度又开始上升，核心又因为温度上升而加速核聚变。

然而这次却并不是燃烧氢，因为氢已经耗尽，所以开始氦聚变。

热量开始持续增加，这使得外皮开始膨胀

这就迎来了恒星后期的重要变化

                       1.4.1 红巨星

质量在太阳0.8到8倍的恒星，就演化成了红巨星，这个界限可能不太准，因为红巨星分很多型，每一种都需要不同质量。

有兴趣的可以XX一下。

因为核聚变的再次加强，红巨星的温度会变高，但是因为发光发热的速度赶不上膨胀，所以表面呈现出类似低温的红色。

然而红巨星这个过程很短，只有十万年到几百万年间，相对整个恒星来说，就是短短的一瞬间。

最终红巨星最终会慢慢的冷却，脱去外皮，留下一个炙热的内核。

                    1.4.2   白矮星

而这个核，我们一般称为白矮星，他的表面发出白色光芒，说明表面温度已经非常高。

当然，也会存在一些特殊情况，例如红色的矮星，这说明表面温度不足，可能是因为密度质量不足。

这个核，并非是在红巨星演化时形成，而是在恒星的末期，当恒星坍塌时，内部温度极高，当温度超过k时，就开始燃烧氦，进行氦聚变，氦聚变燃烧会形成碳，到达更后期，氦核就几乎燃烧成了纯碳结构。

这样，虽然可能夹杂一些氧，但是这可以算作是一颗巨大的钻石。

白矮星的密度非常大，随便形容一下:

一勺子白矮星物质可能把你家地板压个洞并且在地基压个大裂痕。

可能有的人思想很广，便问到:

为什么白矮星密度这么大，却还不会坍塌呢？

–根据泡利不相容原理，白矮星呈现简并态

有兴趣了解简并态，不妨XX一下。

但是，恒星的变化可不止于此，恒星还练就了几十般变化，其中有一个比较经典。

                   1.4.3 超新星

那就是超新星，这个名字一定很熟悉吧？

当恒星的质量达到太阳的8倍以上时，当它收缩后，再进行膨胀，结果可不是红巨星了。

这些恒星的质量大，燃料多。

当他们进入了晚期后，外皮收缩，氦开始燃烧，但是由于巨大压力导致了温度过高，就发生了氦聚变失控，发生了新星爆炸。

这是其中的一种形成方式。

但是有一种可不一样，他们已经把氦也燃烧完，最终形成了铁元素，失去热力，极速向内坍塌，当外皮接触到中心已经形成的核时，又开始极速反弹，形成了超新星爆炸。

称之为反弹效应。

这种爆炸可不一般，它会使恒星亮度突然增加十几个星等，甚至照亮整个星系，并且以十分之一光速极速扩张。

有些新星爆炸，甚至肉眼可在天空中所见，尽管他们非常遥远，但是看起来依然是天空中最亮的。

因为亮度突然增强然后慢慢变暗的特性，超新星也是变星的一种。

超新星爆炸是下一代星系形成的契机，他们向外抛出了大量元素，包括铁，氧，碳等等这些元素是形成行星的关键，有些富含氢的气体，还会再次演化成恒星。

我们的恒星已经是第三代恒星了，俗话说，出来混，总是要还的，恒星也不例外，当了几十亿年老大，总是要还的。

超新星也分为很多种类，根据强度，亮度，大概分成了这几种:

新星，超新星，超超新星。

这种分类也让我不知所云，通过几个超字，虽然很帅气，但是只是模糊描述了强度。

科学家们也没有如此忽悠人，他们还分成了Ia型II型等等来详细描述种类，有兴趣不妨wiki一下。

最后，超新星也会越来越暗，冷却了外皮后，留下了两种产物

                 1.4.3.1中子星

其中一种，就是中子星

在一开始，超新星爆炸留下的产物，依然是白矮星，但是由于巨大的密度质量，热量高，导致强相互作用力变强，无法形成完整原子，原子的电子开始向原子核坠落，同质子一起形成了中子。

因此，整个天体的物质都是由中子紧密排列呈简并态形成的，可以说中子星就是一个巨大的原子。

中子星也因为这样而转速极快，达到每秒10圈到30圈。

由于更大的密度，中子星的体积一般非常小，只有半径10公里左右。

形成中子星，老年恒星的质量要在太阳的1.3–3.2倍之间，也就是说，一次红巨星演化后，留下的物质依然有可能是中子星。

超新星爆炸也可能留下中子星。

还有人问我，触摸中子星是什么感觉？

我的回答是:

我们感觉到与物体之间有间隔，无法穿透，是因为原子都携带电子，电子与电子之间形成斥力，相互排斥，于是你的左手无法穿透右手。

但是在中子星是没有电子的，所以你的手将会轻松陷进中子星内，就像你将手插进气体里一样轻松，并且你还会被烫死。

中子星拥有极强的辐射，他会自我消耗自身的质量，向外发射辐射，如果将中子星一秒的辐射全部转变为电能，足够人类使用几十亿年。

下面是一些数据，仅供参考

面积：

约300平方公里

逃逸速度：

在10,000至150,000千米/秒之间

表面温度：

超过1000万摄氏度

内部温度：

超过60亿度

半径：

10—30公里

               1.4.3.1.1 脉冲星

一些中子星，由于自传轴和磁轴不重合，自传一周就会发射一次脉冲。

它发射脉冲的样子，就像是两条射线在一次一次旋转，非常的漂亮。

这种脉冲的频率非常高，并且按周期发射，与脉动变星的变化类似，所以也被当做是变星的一种–脉冲星。

由于它的信号如此规律，第一次观测到这个脉冲时，甚至被误认为是外星人发来的信号。

所有脉冲星都是中子星，并且一般中子星都是脉冲星，但是不是所有中子星都是脉冲星。

                1.4.3.1.2  磁星

在我们观测的中子星中，发现有一种拥有极强的磁场，它就是磁星

磁星目前生成的原因还没有详细解释

不过有人提出它是因为中子星形成10秒后，内部炙热对流，并且拥有极高转速才会形成的，

而转速过低，可能会形成普通中子星。

磁星是我们观测天体中，拥有最强磁场的天体。

它还因为磁场，亮度，辐射等变化，也被称作磁变星。

磁星的寿命一般很短，只有短短十万年。

              1.4.3.1.3夸克星

一个理论提出，当中子星又一超越极限后，中子星的构成就会破碎，化成更加基本的单位:

夸克星。

由于一整颗星都是奇夸克组成，呈现简并态存在，因此，我们可以把他看做是一整颗巨大的由奇夸克组成的中子。

（这幅图表示了中子星和夸克星内部微观结构的状态，红色为中子星，蓝色夸克星，同质量情况下，夸克星比中子体积小，更加紧密）

可惜的是，目前还没有直接观测到夸克星。

它现在只是一个理论，我们仍有可能在未来找到

                  1.4.3.2  黑洞

前面说到，超新星会留下两种产物，其中一种，就是上面所述的，他们都是中子星的分类，都算是中子星。

而另一种，就是宇宙中的怪物:

黑洞

如果留下的中子星，质量达到太阳的3.2–∞倍，并且演化达到它的史瓦西半径，[史瓦西半径指一个物体依据他的质量，能压缩成黑洞的半径，例如以地球的质量，将地球压缩到半径9mm，地球就会变成黑洞。

（话说你能想象地球压缩到1.8cm大小的样子吗？

与一个弹珠相当）]这个中子星就会坍塌成一个黑洞

（图为黑洞引力场内弯曲的光线）

我们看到的黑洞表面，并不是黑洞，那单单只是它的视界。

黑洞本身，由于密度的无限大，导致了体积的无限小。

可以说，黑洞本身就是一个点。

什么是视界呢?

视界就是以光速运行，正好不能逃逸黑洞，也不会被吸收的范围。

逃逸指的是，能从表面逃脱该星体，并且逃逸到无限远的地方的

速度。

例如逃逸地球大概需要11km/s。

在黑洞的引力场中，连光速也无法从表面逃逸，只有超过一定范围后，才能逃脱，那个范围就是视界。

而正好处在这个位置的光线，无法逃脱，也不至于掉落。

于是这些光线围绕黑洞旋转，形成闭光锥。

这个闭光锥不向外发射电磁波和辐射，而进来的光线也直接被黑洞吞掉，所以视界看起来是黑的。

另外，质量越大的黑洞就会拥有表面积更大的视界，因为光逃脱这个黑洞的距离会更加的远，掉入距离会更近。

有趣的是，科学家门推导出，根据黑洞熵公式，当视界面积更大时，视界的表面积反而温度会更低。

不光是这样，霍金预言，黑洞其实并不黑，根据海森堡不确定原理，量子涨落和宇称不守恒原理，真空中会暂时能量不守恒，突然出现一对正负虚粒子，然后相撞消失以符合能量守恒。

但是如果这对正负虚粒子突然出现在视界边界，正粒子掉入黑洞，而反粒子会逃逸到无限远。

（特别注意，逃逸的一定是反粒子，因为黑洞外是普通时空，只允许反粒子存在）为了使能量守恒，多出的这份反粒子的能量就必须带走一份能量，带走的这份能量就是黑洞的质量（质量等于能量），这使得黑洞的质量会越来越小，并且从观测上看，黑洞并不是黑的，而是在辐射，这样的现象，就被称之为“霍金辐射”

霍金辐射也解释了黑洞的最终结局，并且在欧洲大型强子对撞机中，出现的微型黑洞最终蒸发消失，可能证明了黑洞的霍金辐射。

需要注意的是，我们的黑洞虽然黑，但是一点也不难以观测，它拥有大量的特征，例如弯曲的光线，强大的引力场等。

黑洞是有趣的，但是却是这个宇宙的最恐怖的怪物，这样说可能感觉不够直观?

请看下图。

（NGC1277黑洞的视界半径是地球绕日轨道直径的几万倍）

如上图所视，NGC1277的引力场，可能覆盖了他所在一整个星系，可以说，所有恒星体统都绕它转，而更近的地方直接有几个恒星围绕它转。

而一般类似这样的黑洞，都会成为一个星系的中心。

这样看来，主宰宇宙的似乎还是黑洞。

1.4.3.2.1类星体

在早起星系行程过程中，大量物质被引导到星系主黑洞内，X射线增强，使得这个早期星系亮度突然增亮，比起其他普通星系亮几百倍。

而相比十万光年直径的星系，类星体的直径只有一光天，相比起来，类星体非常渺小。

黑洞吸收物质并不是一下吞掉的，而是慢慢的吸收几亿年，被吸收的物质会旋转围绕黑洞掉入，这个过程中粒子摩擦极强，极度活跃，就发在视界外辐出了X射线，成为观测黑洞的有力证据。

而类星体，就是描述这个过程极强的反应，最终形成了类星体，使得局部亮度突然增强。

目前为止，类星体的形成描述也还不够完善，黑洞吸收物质一说，也只是众多假说之一。

希望未来有才人能补充详细。

           1.4.2.1黑矮星

我们的求知欲，是这个星球中最强的。

我们从上面知道黑洞的最终结局是蒸发掉，但是，例如白矮星，中子星这类天体的最终结局呢?

他们的结局，最终都是演化成视星等低到无法直接观测的黑矮星。

黑矮星，顾名思义，就是黑色的矮星。

在后期它还是白矮星或是中子星时，辐射太多量，导致逐渐变得寒冷而转变成黑矮星。

黑矮星不发射辐射，因此很难观测到，即使是微波辐射，也有可能被宇宙微波背景辐射覆盖。

只能通过引力感测。

也因为相对质量小而难以感测。

不论是白矮星，中子星，都会演化成黑矮星。

白矮星自然不用说，会自然演化成黑矮星，但是中子星等呢?

中子星燃烧完毕后，内部温度开始降低到强相互作用继续发挥效应，原子又可以继续形成，而最后形成的原子包括碳原子，少量氧原子等。

这些原子排列在天体内，就形成了类似白矮星的天体。

但是他么不像白矮星一样发光，所以就成为黑矮星。

现在为止，黑矮星还只是理论上的存在，经过计算，现有的白矮星或是中子星，都还没有足够的时间演化成黑矮星。

所以，目前观测黑矮星的数量为零。

我认为其实已经存在黑矮星了，因为难以观测而难以发现，毕竟我们宇宙已经演化到历四代恒星了。

第一章结束语

《宇宙天体》第一章《恒星以及演化结果》就到此结束了，我们已经讲完了所有关于恒星的天体的故事。

我们到这里也就差不多了解了这些基本天体。

其实，在本篇文章中，省略了几十种极为详细的关于恒星的天体，例如褐矮星，I型超新星，Ia型超新星，还有许多变星。

不过不用担心，当您了解了上述天体后，您关于天体的知识就已经打下了坚实的基础，学习其他分类的天体也是非常的容易。

我的用意是，让每一个读者都能详细了解这些基础，扩展大家的视野。

如果您还有兴趣了解更多天体，请关注我撰写的下一章，《宇宙天体》第二章《类行星天体》我会尽快地推出。

天体物理知识可不止于天体，我还会推出关于宇宙系统的文章，《宇宙系统》，有兴趣请多多关注。