天体物理学：恒星的结构与演化
《地球概论》第六讲恒星
亮度EM和绝对星等M。设EM表示绝对亮度，Em表示视亮度。由公式（2-1）可得， EM/Em＝2.512m－M
恒星的亮度与其距离的平方成反比，如该恒星的距离d以秒差距为单位，那么，
EM/Em＝d2/102 把这个关系式代入前面那个方程式的左边，便得，
d2/102＝2.512m－M
两边取对数，并记住lg2.512＝0.4，那么可得，
——在红巨星阶段，恒星的演化速度大大加快。中心区域的温度和密度因收缩而继 续升高，到 1 亿摄氏度时开始进行由氦核聚为碳核的新一轮热核反应；氦烧完后，温度 继续因收缩而升高，原子核再聚变产生更重的元素→能量有限，到了“垂暮之年”，一 旦核反应终止，对引力的抗衡全线崩溃→自行坍塌。
——红巨星收缩时，核心部分收缩最猛烈，外部处在较弱的引力下。核心温度因猛 烈收缩而急剧上升，由此掀起的热浪会把外层气壳抛掉，剩下一颗致密和炽热的白矮星 →以后逐渐变冷，变成又小又暗的黑矮星→终其一生。
M=m＋5－5lgd
（2-4）
该式是现代恒星天文学最重要得公式之一。只要测定恒星得绝对星等，便可按平方反比
定律，求知该恒星的距离。
4．恒星的多样性： ——单星、双星和星团。一般的恒星是单个存在的。但是，有一些恒星是成双成对 的，被称为双星。还有许多恒星集中分布在一个较小的空间，彼此有物理联系，形成一 个稠密的恒星集团，叫做星团。 ——变星、新星和超新星。有些恒星的光度在短时期内会发生明显的、特别是周期 性的变化。变化的周期，长的可达几年到十几年，短的只有几日甚至几小时。这样的恒 星称为变星。按其成因，变星可分食变星、脉动变星和爆发变星三类。爆发变星中，亮 度在很短时间（几小时至几天）内突然剧增、然后缓慢减弱的恒星叫新星。爆发规模特 别大的变星叫超新星，其光度变幅超过 17 各星等，即亮度可突然增强到原来的几千万倍 甚至近万万倍。 ——巨星、超巨星和白矮星。上世纪初，丹麦天文学家赫茨普龙（1873-1967） 和美国天文学家罗素（1877-1957），不约而同地创制了恒星地光谱型和光度地坐标关 系图，简称光谱－光度图，通常也叫赫罗图。它以恒星地光谱型（或温度）为横坐标， 以它的光度（或绝对星等）为纵坐标，每颗恒星按照各自地光谱型赫光度，在图上占有 一定地位置。
【天文学】第一讲_引言
天体的位置及其变化 太阳系天体的运动规律 天体物理本质研究
▲ 理论天体物理 观测现象的解释
天体物理学: 天体物理本质研究
1. 太阳物理：太阳的本质，能源问题 2. 太阳系物理学(行星物理)：
宇宙大尺度结构 致密天体，如中子星，白矮星，黑洞等 引力波，引力透镜
9. 宇宙学：宇宙的整体研究；观测和理论
大爆炸理论 宇宙大尺度结构的形成和演化
10. 天体演化学：太阳系，恒星，星系，宇宙
动力学演化，化学演化 化学元素的起源，宇宙中的分布，变化规律
天体物理学: 天体物理本质研究
从观测方法上分：
光学天文学 红外天文学 射电天文学 空间天文学 : 地面，空间 ：地面，空间 ：地面，空间 ：空间探测器
厄尔尼诺现象与地球自转有关
亚洲 东太平洋
西太平洋
南美洲
天文与气象
地球绕太阳公转 黄道与赤道 存在23°交角 气候的四季变化
天文与气象
月球对地球 的引力作用 海水每天的 潮起潮落
问题二: 天文学有什么用 ?
天文学是一门古老的学科,是一门观测的科学, 在历史上它与人类的生产活动和日常生活密切 相关, 例如: 季节的变化, 潮水涨落, 野外方向的确定等等
3。天文学对哲学的意义 人类如何认识宇宙
地心说 日心说 大爆炸理论 太阳系的起源到宇宙的起源
4。天文学对工农业生产的作用
计量时间
星表,年历的编制 精密定轨, 测距
时间标准,用于尖端科学
农业生产,航海,航空,航天 卫星轨道
天文高灵敏度探测器
遥感, 军事
1983年诺贝尔物理学奖――天体物理学的成就汇总
1983年诺贝尔物理学奖——天体物理学的成就1983年诺贝尔物理学奖一半授予美国伊利诺斯州芝加哥大学的钱德拉塞卡尔（Subrahmanyan Chandrasekhar，19l0—1995），以表彰他对恒星结构和演变有重要意义的物理过程的理论研究；另一半授予加利福尼亚州帕萨迪那加州理工学院的W.A.福勒（William AlfredFowler，1911—1995），以表彰他对宇宙中化学元素的形成有重要意义的核反应的理论和实验研究。
钱德拉塞卡尔是另一诺贝尔物理学奖获得者拉曼（SirChandrasekhara Venkata Raman）的外甥，1910年10月19日出生于巴基斯坦的拉合尔，1930年毕业于印度马德拉斯大学，后在英国剑桥大学学习和任教。
1937年移居美国。
钱德拉塞卡尔的主要贡献是发展了白矮星①理论。
白矮星的特性是大约在1915年由美国天文学家亚当斯（W.S.Adams）发现的。
1925年英国物理学家R.H.福勒（R.H.Fowler）用物质简并假说解释了白矮星的巨大密度。
物质简并假说称，电子和电离的核在极大的压力下组成高度密集的物质。
1926年爱丁顿（A.S.Eddington ）建议，氢转变为氦是恒星能量的可能泉源，这就为恒星演化理论奠定了基础。
1930年—1936年，钱德拉塞卡尔在剑桥大学三一学院工作期间，就投入到了白矮星的研究之中。
他找到了决定恒星生命的基本参数，通过应用相对论和量子力学，利用简并电子气体的物态方程，为白矮星的演化过程建立了合理的模型，并作出了如下预测：1.白矮星的质量越大，其半径越小；2.白矮星的质量不会大于太阳质量的1.44倍（这个值被称为钱德拉塞卡尔极限）；3.质量更大的恒星必须通过某些形式的质量转化，也许要经过大爆炸，才能最后归宿为白矮星。
钱德拉塞卡尔的理论解释了恒星演化的最后过程，因此对宇宙学作出了重大贡献。
1939年他在全面研究了恒星结构的基础上出版了《恒星结构研究导论》一书，系统总结了他的白矮星理论。
物理学概念知识：主序星的演化和白矮星
物理学概念知识：主序星的演化和白矮星主序星的演化和白矮星主序星是天体物理学中一个非常重要的概念，它描述的是恒星的一种特殊状态，也是很多天文学问题的基础概念之一。
主序星的演化和白矮星之间有着密不可分的关系，对于深入了解恒星的内在机制和演化过程非常有帮助。
主序星是指恒星的一种特殊状态，它的基本特征是恒星内部的核聚变反应处于平衡状态。
恒星的形态、光度和表面温度都与其质量密切相关，质量越大的主序星表面温度越高，光度也越大。
质量较小的主序星则表面温度较低，光度也较小。
主序星的寿命也与质量有关，质量较大的主序星寿命相对较短，质量较小的主序星则寿命相对较长。
在恒星形成的初期，原恒星在分子云中形成并开始聚集物质，一旦质量达到几倍太阳质量，就会形成一个主序星，而这个主序星的演变也会进入不同的阶段。
主序星演化的关键在于核聚变反应的变化。
核聚变反应是恒星维持平衡的重要机制，其能量来源于核反应。
核聚变反应中，氢原子核聚变成氦原子核释放出大量能量，这使得恒星能够维持自身的温度和压力。
质量在1到8倍太阳质量之间的主序星，在核聚变反应结束后会变成红巨星。
当主序星内部的氢耗尽时，压力和温度会下降，恒星的外层会膨胀，成为红巨星。
而质量小于1倍太阳质量的主序星则会演化为红矮星，它的能量来自氢的核聚变反应，但由于质量较小，核反应速率低，能量和光度都较低。
红巨星阶段的特征是体积庞大，表面温度低。
它的氦核聚变反应会继续发生，红巨星的能量来自于氦核与氢壳燃烧所产生的热量。
红巨星在这个阶段持续约5000年，最终氦中子结构不稳定，会坍缩并释放能量成为超新星爆发。
而与之相应的，质量较小的红矮星则可以持续发光数百亿年，时间远远超过宇宙年龄的90%。
超新星爆发之后，主序星会演变成为白矮星，它是一种密度极高、体积极小的天体。
白矮星的质量通常在0.1到1.4倍太阳质量之间，但体积只有地球的几倍。
白矮星在聚变晚期，氢和氦已经耗尽，温度和压力都很低，核聚变反应停止，但是由于白矮星内部存在极高的密度，电子与原子核可以形成简并态，此时它的能量来源来源于电子态能级，因此，白矮星的表面温度非常低，只有几千度，但是密度极高，几乎不留下空隙，因此具有非常强的引力场。
什么是天体物理学？
什么是天体物理学？天体物理学是研究宇宙中各种天体及它们的物理性质、演化和相互作用的学科。
它融合了天文学、物理学和化学等多个学科，是探究宇宙奥秘的重要途径。
下面将为大家详细讲解什么是天体物理学。
一、天体物理学的概述天体物理学是研究天文现象的物理学，包括恒星、行星、星云、星际介质和宇宙射线等天体的物理性质、演化和相互作用。
天体物理学是物理学的一个分支，探索的是宇宙最基本的物理规律——引力、电磁力、弱核力和强核力，通过研究天体物理，可以深入了解宇宙的演变过程，预测未来的变化。
二、天体物理学的研究内容1. 恒星物理学恒星是天体物理学的一个重要研究领域，它们是宇宙中最常见的天体之一。
天体物理学家研究恒星的形成、生命周期和核反应过程等，以了解它们的性质和演化过程。
恒星演化的速度和性质受多种因素的影响，例如恒星质量、构成和周围环境等因素。
天体物理学家通过观测、理论模拟等手段，研究恒星的演化机制。
2. 星系物理学星系是宇宙中大量天体的集合体，它们的形成、演化和相互作用是天体物理学的一个重要研究领域。
天体物理学家通过计算机模拟、观测、距离测量等手段，研究星系的结构、运动以及物质的分布等。
星系物理学是天体物理学的一个重要领域，探究星系的演化和形成历史，是了解宇宙演化史的重要途径。
3. 宇宙学宇宙学是研究整个宇宙性质和演化的学科，它的研究领域包括宇宙起源、演化、结构和组成等。
天体物理学家通过测量宇宙微波背景辐射、引力透镜、红移等手段，研究宇宙的起源和发展历史，探究宇宙的本质。
三、天体物理学的研究热点1. 暗物质研究暗物质是当前天体物理学研究的热点之一，它是宇宙中一种不会直接发光的物质，占据了宇宙大部分的质量。
天体物理学家通过观测宇宙微波背景辐射、星系和宇宙结构等，尝试揭示暗物质的性质和分布规律。
2. 线性重力波探测线性重力波是爱因斯坦广义相对论预言的一种现象，其探测是天体物理学领域的一大突破。
天体物理学家通过探测黑洞碰撞、中子星合并等现象，证实了线性重力波的存在。
天体物理学研究的主要内容
天体物理学研究的主要内容天体物理学是指研究天体物理现象和宇宙的学科。
天体物理学涉及的范围非常广泛，涉及到宇宙学、恒星、行星、星际介质、宇宙射线等许多领域。
现在，我们深入了解一下天体物理学研究的主要内容。
一、宇宙学宇宙学是研究宇宙的起源、演化和未来发展的学科。
宇宙学关注宇宙中的各种事物和现象，包括星系、星云、暗物质、暗能量、宇宙射线等。
宇宙学家通过研究宇宙背景辐射、红移、星系分布等现象，得出了各种宇宙学模型，探索宇宙的历史和结构。
二、恒星恒星是宇宙中最基本的天体之一，它们以核聚变的方式产生能量，并通过辐射、对流等方式将能量释放到宇宙空间中。
天体物理学家研究恒星的物理特性、星系演化等方面。
恒星的研究非常重要，不仅可以了解宇宙的演化历程，还有利于人类了解宇宙中其他天体的特性。
三、行星行星是宇宙中自转、绕太阳公转的天体，对研究宇宙的演化、地球的成因等有非常重要的作用。
行星的类型有地球类行星、气态行星和冰质行星等，它们的物理特性、化学成分、大气层结构等都是天体物理学家研究的重点。
四、星际介质星际介质是指星际空间中星际气体和星际尘埃的组合体，可以见于星系、星云、行星际空间等地方。
星际介质是研究宇宙物质、能量传递和宇宙物理学的重要领域。
通过研究星际介质，天体物理学家可以了解宇宙中星系、行星等的形成和演化过程。
五、宇宙射线宇宙射线是在宇宙中具有高能量的粒子射线，其中包括宇宙射线中的质子、电子、中子等粒子。
宇宙射线是由于宇宙中的加速器现象而产生的，对研究宇宙物理学、宇宙辐射生物学等方面有着非常重要的意义。
综上所述，天体物理学研究的主要内容涉及到宇宙学、恒星、行星、星际介质、宇宙射线等领域，通过探索天体的特性和演化过程，有助于我们深入了解宇宙的历史和现状。
随着科技的不断发展，天体物理学的研究将更加深入和丰富。
光核反应在核天体物理研究中的重要意义-白希祥pdf
二、 恒星演化和各种核过程的简要描述
(1) 孤立恒星的演化 恒星中的热核反应是从氢聚变开始的，而恒星的演化则与其中 氢、氦、碳等各种轻元素的热核反应逐级发展的过程紧密地联系 在一起。恒星演化的进程和归宿基本上取决于其初始质量。粗略 地说, 初始质量M<0.08M⊙（M⊙ 表征太阳质量）的孤立恒星，引 力收缩不能使其达到氢聚变的点火温度，不发生氢燃烧而直接走 向死亡。0.08M⊙<M<8M⊙的小质量孤立恒星在经历某个轻元素 燃烧阶段后，因剩下的核心区质量不足以通过引力收缩使下一级 聚变反应点火，随着核燃烧的结束而走向死亡，形成各类白矮星。 8M⊙<M<100M⊙ 的大质量孤立恒星，在完整地经历氢、氦、碳、 氖、氧 和 硅 各平稳核燃烧阶段后，呈现由内至外依次为铁核心 区、未燃尽的硅、镁、氖、氧、碳、氦 和 氢的洋葱头式分层结 构。由于原子核的比结合能曲线在56Fe处达到极大值，铁以上核 的聚变反应变为吸热反应，因此硅燃烧阶段结束后形成的铁核心 区不能再依靠聚变反应释放能量来阻止引力塌缩，最终导致Ⅱ型 超新星爆发。爆发时的冲击波将大量外层物质抛向星际空间，占 初始质量一小部分的残体最终形成中子星或黑洞。
星际气原始星红巨星中子星超新星爆发黑洞弥散到星际空间白矮星平稳的抛射物质冷却和引力不稳定林氏阶段金牛座t热核反应hhe元素的合成中微子产生爆发性抛射物质重恒星脉冲星重元素丰富度加孤立恒星演化进程示意图在大爆炸后宇宙持续膨胀几十万年之后宇宙温度降至几千k恒星及星系开始形成和演化量恒星的演化进程初始质量m25m的球对称孤立恒星内部结构演化的示意图
中子质量稍大于质子质量，按照玻尔茨曼分布，达到热平衡状态时 两者丰度的比值为
随着温度进一步下降，两者间的平衡逐步被打破，当温度降到大约 1010K时，中子与质子数之比为0.22。此时宇宙中的粒子组成为：处 于热平衡的大量γ光子及e+与e-；脱离热平衡的3种中微子及其反粒子； 处于热平衡的少量质子与中子。 自由中子会发生衰变，如果不“躲进”原子核中，它就不能被“保 存”下来。在1010K时(系统中光子的平均能量约为1 MeV),有很多光 子的能量高于2.224 MeV。即使质子与中子能结合成氘核，也会因 γ+d→n+p反应光致解裂为自由质子与中子。只有当温度降到 5×109K以后(大爆炸后几分钟)，氘核形成的几率开始超过其光致分 裂的几率时，即γ+d→n+p 过程逆转时核合成过程才真正开始。首先 由质子与中子合成氘，继而以氘为“种子核”，逐步形成4He，使 中子全都“躲进”4He及后续的核素中，得以保存下来。
天文学中的星系形成与演化的数值模拟研究
天文学中的星系形成与演化的数值模拟研究星系是宇宙中最大的组织结构之一，由星球、恒星、行星、气体、尘埃等组成。
星系形成与演化是天文学中一个重要的研究方向，通过数值模拟方法可以深入理解星系的起源、发展和演化过程。
本文将围绕天文学中的星系形成与演化的数值模拟研究展开探讨。
星系形成是宇宙演化的关键过程之一。
根据宇宙学模型，宇宙最早的时期是由于大爆炸而诞生的，随后宇宙开始膨胀，并逐渐形成了大量的恒星和星系。
在宇宙膨胀的过程中，微小的密度涨落逐渐增大，并最终形成了星系结构。
数值模拟可以模拟宇宙涨落的演化过程，从而揭示星系的形成机制。
数值模拟通常基于宇宙学原理和天体物理学的知识，利用计算机算法对星系的形成和演化进行仿真。
首先，模拟中的宇宙被划分为一系列网格，并在网格上建立物理方程。
其次，模拟中的星系通过考虑引力、物质相互作用和能量传递等关键过程来进行演化。
最后，通过不断迭代计算，模拟可以重现星系的形成和演化的过程。
在数值模拟中，一个重要的参数是初始条件。
初始条件包括宇宙平均密度、宇宙膨胀速率、初始宇宙涨落的幅度和分布等。
这些参数的设定将直接影响到模拟结果的准确性和可靠性。
因此，研究者通常根据观测数据和理论预言来确定初始条件，以使模拟结果与实际观测相符合。
通过数值模拟，研究者可以模拟不同类型的星系，例如椭圆星系、螺旋星系和不规则星系等。
这些星系的形成和演化过程可能存在巨大的差异。
例如，椭圆星系通常形成于密集星团环境中，并且由于星系碰撞和合并而逐渐变大。
而螺旋星系可能是通过冷气体的引力坍缩而形成，并且在演化过程中可能会经历旋臂的形成和消失。
不规则星系的形成可能与星系之间的相互作用和星系内部物质的分布不均有关。
数值模拟研究还可以帮助我们理解星系内恒星的形成和演化。
恒星形成是星系演化过程中的关键环节之一。
通过模拟宇宙膨胀和气体云坍塌等过程，可以预测恒星形成的位置、速率和质量分布。
此外，数值模拟还可以模拟恒星的演化过程，例如恒星的核聚变、质量损失和爆发等。
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天体物理学：恒星的结构与演化恒星是宇宙中最为常见的天体之一，其研究不仅对于理解宇宙的演
化过程和探索宇宙的奥秘具有重要意义，而且对于太阳系中行星、卫
星的形成以及地球上生命的产生也有着深远的影响。
本文将介绍恒星
的结构与演化过程，以及相关的研究进展。
一、恒星的结构
恒星是由气体组成的，其内部存在着巨大的温度和压力。
恒星的结
构可以分为核心、辐射层和对流层三个部分。
1. 核心
恒星的核心是由极高温和高密度的物质组成的，核心是恒星能量产
生的主要地区。
核心的温度和压力足以使氢原子核发生核融合反应，
将氢转化为氦。
这个过程产生了巨大的能量，即恒星内的核聚变反应，是恒星维持亮度和稳定状态的源泉。
2. 辐射层
核心外部是辐射层，主要由气体和辐射能量组成。
在辐射层，能量
通过辐射的方式传输，辐射层的密度和温度逐渐下降。
辐射层的厚度
取决于恒星的质量和半径，对于不同的恒星类型而言，辐射层的性质
有所不同。
3. 对流层
在辐射层的外部是对流层，对流层以循环流动的方式传递热能。
热
量在对流层内部通过对流的方式向外传输，形成了类似于水壶内沸腾
的流动。
对流层的温度和密度比辐射层要低，恒星的表面就位于对流
层顶部。
二、恒星的演化
恒星的演化是指从恒星形成到死亡的全过程，可以分为主序阶段、
红巨星阶段和超新星阶段等不同的时期。
1. 主序阶段
当恒星形成后，它会进入主序阶段。
主序阶段是恒星演化中最长的
阶段，恒星通过核聚变反应将氢转化为氦，同时释放出巨大的能量。
主序阶段的持续时间取决于恒星的质量，质量较大的恒星能够维持较
长时间的主序阶段。
2. 红巨星阶段
当恒星的核心中的氢燃料消耗殆尽时，核心会经历收缩和加热的过程，外层氢开始燃烧，同时核心中的氦开始聚变形成更重的元素。
在
这个过程中，恒星会膨胀成为红巨星，体积增大，亮度变大。
3. 超新星阶段
当核反应无法维持恒星的平衡时，恒星会发生超新星爆炸，释放出
极其巨大的能量。
在超新星爆炸的过程中，恒星会喷发出大量的物质，质量会急剧减少。
超新星爆炸过后，留下一个极为致密的核心，即为
中子星或黑洞。
三、研究进展
随着观测技术和理论模型的不断进步，人们对于恒星的结构和演化过程有了更深刻的认识。
通过可见光、红外线、射电波等多个波段的观测，科学家能够研究恒星的物理性质和内部结构，以及其他恒星特性的变化。
此外，借助数值模拟和理论模型，科学家们能够模拟和预测恒星的演化轨迹，探索不同恒星类型的形成和演化机制。
总之，天体物理学的研究为我们深入了解恒星的结构和演化提供了重要的理论基础和观测依据。
恒星作为宇宙中最为常见的天体之一，其结构和演化对于理解整个宇宙的演化和形成过程具有重要意义。
未来，随着科学技术的不断进步，我们有望对恒星的性质和演化过程有更加全面和深入的认识。