2016广东省开信杯低年组天文知识竞赛学习资料选编.docx

2016广东省天文奥赛低年组学习资料1.恒星演化弥漫于银河系中的星际物质（尘埃和气体，主要由氢和氦组成），在万有引力的作用下聚集起来，形成星体。聚集过程中它们的引力势能转化为热能，使原本很冷的物质温度升高，如果聚集成星体的物质很多，多到相当于太阳质量或大于太阳质量，引力势能转化成的大量热能可使星体内的温度升高到1000万度，从而点燃星体中的氢的聚变反应。这时，一颗发光发热的恒星就诞生了。如果星体的质量小于0.1 M⊙，点燃不了氢的聚变反应，不可能是恒星，只能是行星。恒星中氢燃烧生成氦的热核反应，大约可以维持100亿年，这时，恒星处在一个长期稳定的时期，这个时期约占恒星寿命的99%。这样的恒星称为主序星。我们的太阳就是处于主序星阶段的恒星，中心温度高达1500万度，压强达到3×1016Pa，那里正进行着猛烈的热核反应，太阳已经在主序星阶段燃烧了50亿年，目前正处在它的中年时期。恒星的存在，一方面依赖于万有引力把物质聚集在一起，不至于漫天飞扬，另一方面则靠热核反应产生的热量，造成粒子迅速运动，产生排斥效应，使物质不至收缩到一点。正是万有引力的吸引作用与热排斥作用的存在，才保证了恒星的生存。 当恒星中心部分的氢全部燃烧之后，恒星中部的热核反应就停止了，这时万有引力战胜了热排斥，星体开始收缩。由于恒星表面的温度远低于中心部分（例如太阳中心温度为1500万度，而表面温度只有6000度），那里还没有发生过氢合成氦的热核反应。这时随着星体的塌缩，恒星外层的温度开始升高，那里的氢开始燃烧，这就导致恒星外壳的膨胀。外壳的膨胀和中心部分的收缩同时进行，中心部分在收缩中温度升高到1亿度，开始点燃那里的氦，使之合成碳，再合成氧，这些热核反应短暂而猛烈，像爆炸一样，称为“氦闪”。这种过程大约经历100万年，在整个天体演化中，这是个很短的“瞬间”。此后几亿年中，恒星进入一个短暂的平稳期。当中心部分的氦逐渐燃烧完之后，外层氢的燃烧不断向更外部扩展，星体膨胀的越来越大，膨胀到原来的10亿倍。由于外壳离高温的中心越来越远，恒星表面的温度逐渐降低，从黄色变面红色。由于体积巨大，这种红色巨星看起来很明亮，称为红巨星。50亿年后，太阳也将由主序星演变成这样的红巨星，膨胀的太阳将逐步燃烧吞食水星、金星和地球。地球的轨道将被包在红巨星之内。海洋将全部沸腾蒸干，地球的残骸将继续在红巨星内部公转，红巨星外层气体灼热而稀薄，比实验室中所能得到的最好的真空还要空，所以地球仍然存在并继续转动。当然生命已不可能在地球上生存。 核能源进一步枯竭之后，红巨星将抛出一些气体，形成“行星状星云”。这个阶段，红巨星的中心部分将塌缩，形成小而高密、高温的白矮星。白矮星的密度一般在0.1~100t/cm3之间。白矮星温度高，呈白色；体积小，因而亮度小。随着热核反应的逐渐停止，白矮星将逐渐冷却成为黑矮星，黑矮星是一颗比钻石还要硬的巨大星体。白矮星冷却成黑矮星的过程十分缓慢，可能需要100亿年左右。可以说，在宇宙间，至今还没有生成一颗黑矮星。 白矮星的主要化学成分是高密度的碳和氧。那么宇宙中硅、镁、铁等元素来自何方呢？它们来自超大质量恒星的演化。如果一颗恒星，在中心部分氢--氦热核反应终止，开始向红巨星演变时，还有8 M⊙以上的太阳质量，那么它们会发生更深层次的热核反应。这种超大质量恒星内部，在塌缩时巨大的引力势能可把那里的温度加热到6亿度以上，使氧和碳发生聚合反应生成氖和镁，这时进一步升高到10亿度，氖和氦又合成镁。此反应导致温度再升到期15 亿度以上，氧开始燃烧合成硫、硅等元素。然后，温度进一步升到30 亿度以上，硅开始燃烧，并引发成百上千种的核反应，最终生成铁。 超过8 M⊙以上的太阳质量的主序星在演变成超红巨星之后，中心温度可升高到30 亿度，生成以铁为中心的核，当生成的铁核越来越大，仅靠原子间的电子斥力已不能支撑它自身的重量，这时铁核进入白矮星状态，电子的泡利斥力将起来抗衡万有引力。当铁核质量超过1.4M⊙时，铁核突然塌缩，电子被压入原子核中，与其中的质子中和生成中子，成为中子星。中子星和白矮星有些相似，它不是靠热排斥或电磁作用来抗衡引力，而是靠中子间的泡利斥力来抗衡。中子星是一种非常致密的天体，它自身的万有引力可将相当于一个太阳质量的物质压缩在半径为10千米的球体内。也就是说，一匙中子星的质量差不多相当于地球上一座大山的质量。其密度高达1 亿~10亿t/ cm3。 在中子星的形成过程中，猛然的大爆炸把部分重元素抛向太空，成为星际物质。这些星际物质在适当的情况下可以形成新的恒星、行星，或被其它恒星俘获，聚集成行星。这就是行星中重元素的来源。 中子星的质量有个上限，大约为3~4 M⊙，超过这一极限的中子星是不稳定的，会进一步塌缩形成黑洞。几十年前，科学家们根据爱因斯坦广义相对论的理论研究，预