第十三章C 天体的演化

我国北宋至和元年（1054年）3月的一个清晨，在东方“天关”附近（目前金牛座的位置）突然出现了一颗“客星”，其“昼见如太白，芒角四出，色赤白”。司天监（当时的国家天文台）对这颗“天关客星”用肉眼连续观察了两年之久，直到看不见为止。

19世纪，人们用望远镜发现在这个方向上有一个蟹状星云；20世纪初发现这团星云在膨胀。由膨胀速率推算，1054年刚好是膨胀开始的时刻。天文学家们一致公认：中国记录的“天关客星”正是一次典型的超新星爆发。蟹状星云是爆发时抛射出来的气体壳层，膨胀速率为1 300 km/s。

如何给恒星分类？

当你抬头仰望夜空里的星星时，它们似乎一样大小。事实上，恒星有大有小，而太阳还只是一颗中型星。

天文学家根据恒星的物理特征来分类，用来分类的主要特征是恒星的体积、温度和亮度。

超巨星体积很大，如果把它放在太阳的位置上，一直可以延伸到木星旁边，白矮星像地球一样大小，中子星直径大约只有几千米到几十千米。

1．恒星的分类

我们观察到的恒星有超巨星、巨星、主序星、白矮星和中子星。

根据下列内容，就可以归纳出恒星颜色、温度和亮度间的一些关系。

1．恒星的颜色和温度

恒星的颜色显示了它的温度，温度较低的恒星，在天空中呈现暗红色。表面温度达5 500℃的太阳发出白光。更热的恒星（表面温度高于10 000℃）则会呈现比太阳稍蓝的颜色。

2．恒星的亮度

恒星的亮度取决于它的体积、温度以及离地球的距离。恒星的相对亮度常用“星等”来表示。直接由光度测量得到的星等称为视星等。由于视星等与天体离观测者的距离有关，不能反映天体真实的发光强度，因此为了比较天体的发光强度，天文上采用绝对星等。“绝对星等”是指该恒星在离地球一个标准距离（10pc，pc是秒差距的符号，1 pc＝3.09×10¹⁶ m）情况下所具有的亮度。

3．恒星的温度和亮度（绝对星等）的关系

天文学家把已经发现的恒星的温度和亮度建立了相互关系，称为赫罗图，图13 -19列出了部分恒星的温度和亮度的关系。

在赫罗图中，大部分恒星构成一个天文学上称为主序对角线，在这个主序对角线中，恒星的亮度越大，说明恒星表面的温度越高。

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主序星

在赫罗图中处于主序对角线中的恒星称为主序星。现在观测到的恒星中，90%都是主序星，太阳也是一颗主序星。主序星的能源主要来自于星体内的核反应，恒星一生中在这个阶段停留时间最长。

恒星是有寿命的，每一颗恒星都有其诞生、存在和最终死亡的过程。实际上我们观测到的超巨星、巨星、主序星、白矮星和中子星等恒星形态，就是恒星不同年龄阶段的形态。

恒星是如何诞生的？

图13-20所示是哈勃空间望远镜拍摄的鹰状星云（M16）中心部分的暗星云，那些奇形怪状的星云像柱子一样高高耸立着。星云中正在发光的地方，是正在形成中的恒星（原恒星）。暗星云在这些恒星的照射下，将向四处喷散，然后逐渐被蒸发掉。

2．恒星演化的几个阶段

恒星演化分诞生期、存在期和死亡期。

恒星的存在期有多长？

质量大的恒星虽然可用以“燃烧”的核燃料较多，但它放射出的能量也比较多，因此它们的寿命反而比较短（图13 -21）。而那些比太阳小的恒星寿命可达2 000亿年以上。太阳现在的年龄大约为47亿年，而太阳的寿命大约为100亿年，因此，太阳正值“壮年”。

一颗恒星的寿命取决于它的质量

随着恒星的氢核燃料逐渐耗尽，恒星将步入“老年时期”。恒星的核心将开始收缩，而其外层部分则开始膨胀，于是这个恒星就会成为一颗红色的巨星或超巨星。

小型或中型的恒星，在其膨胀成红巨星之后，其外层部分最终会飘进太窄中，那个被遗留下来的恒星内核就变成了一颗白矮星，白矮星的体积与地球差不多，但它的密度为太阳密度的10 000倍（一颗方糖那样大小的物质就有一头大象的质量）。当白矮星不再发出光芒时，就成为一颗完全死寂的黑矮星。

如果行将就木的巨星或超巨星突然发生爆炸，在几十天内乃至上百天内都会发出比以前的亮度高几百万倍的强光，这种爆炸就是前面提到的超新星爆发。超新星形成之后，外层物质会继续扩散到太空中，成为星云的组成部分，这些星云而后会坍缩成为一个新的恒星。太阳就是这样一颗“转世”恒星。而由于爆炸的反作用力，超新星中心的物质被进一步压缩，电子也会陷入到原子核内部，与质子结合形成中子，最终成为一颗中子星。中子星的半径通常不会大于20 km。

当恒星变为红色的巨星或超巨星时，就意味着这颗恒星将要度过它光辉的一生了。

拓展联想

恒星的归宿

发生超新星爆发后，如果星体的剩余质量大于3倍太阳质量时，星体的收缩无法停止，其密度变得越来越大，最后会形成黑洞。

2019年4月，包括中国在内，全球多地天文学家同步公布了位于室女座星系团中超大质量星系 M87 中心的、距离地球 5 500 万光年、质量约为太阳的 65 亿倍的黑洞的“真容”。

英语角

The Universe

The Universe contains everything that exists -- not only the Earth and everything on it, but also all the planets,stars, and galaxies, and the space in between them. The Sun, at the center of the Solar System. is just one of about 300 billion stars in our galaxy, or collection of stars, called the Milky Way.Astronomers have estimated that there are about 100 billion other galaxies in the Universe. Most scientists think that the Universe formed about 15 billion years ago in an enormous explosion called the Big Bang. They also think that the Universe is expanding.

结束语 可爱的物理学

中学阶段你已经在物理的海洋里和小岛上探寻了近四年，了解了很多物理学的现象、概念、规律，做了许多物理实验和物理习题。但你有没有体验到物理学还包含着概念、公式、定律以外更多可爱的东西呢？

物理学让人充满兴趣和热情

学习物理的过程是一项激动人心的智力探险活动，它鼓励年轻人投身科学并拓展着我们关于大自然知识的疆界。请读下面一段描述：

我们在地球赤道表面看到的“静止不动”的物体，其实正绕着地轴以令人眩晕的速度——1600 km/h高速转动；而且这个正在旋转的地球，又绕着太阳以30 km/s的高速奔行；整个太阳系绕着银河系的中心，以100 km/s的高速旋转；而我们的银河系则朝着临近的仙女星系，再以1 00 km/s的速度奔去。事实上还不止于此，如果从一颗遥远的星球所在地看地球，可能会发现我们正以265 000 km/s的近于光的速度奔驰着离开它！

世界真是一个谜，开阔得难以想像，让人激动。就像爱因斯坦说的那样：“宇宙是伟大永存的谜，这谜像‘自由’一样地向我招手。”自然界的奥秘正在等待一代又一代充满热情和进取心的年轻人去探索。当你领悟到一个复杂的现象能通过建立一个简单的模型或分解成几个简单问题、用简洁的公式和图像来概括，并赋予定量的描述时，你一定会兴趣倍增；当你了解到物理学家们巧妙的研究方法、敏锐的洞察力和锲而不舍的精神时，投身这个智慧接力赛的热情也许会油然而生。

物理学需要不断思考和探索

物理学的发展永无止境。牛顿建立的经典力学取得了巨大的成就，即使到现在，它的概念、公式和定律还在探索自然奥秘的许多方面发挥着重要的作用。但爱因斯坦的相对论却表明牛顿力学在物体高速运动（可与光速相比拟）时不再适用。就长期而言，几乎可以肯定爱因斯坦的相对论也一定会得到进一步发展。

有同学会问，所有的物理规律不都是得到实验证明的吗，为什么会有问题？实际上，物理规律和实验是有条件的，在某种条件下它们是对的，但在其他条件下它们可能并不正确，或者不完全正确。提出的假说能否被实验验证，是界定科学和伪科学的重要标志。科学实验永远是不完全归纳法，是有条件的。随着科学和实验技术的发展，科学家们不断地将研究对象深入到未知领域，并产生新的问题。

我们平时做实验和做物理习题，总是相信有一个唯一正确的结果，但如果你知道物理学本身还有许多问题，需要不断思考和探索的话，你学习物理时的感觉也许会很不相同。

物理学很美

物理学很美。物理学研究的对象是自然界，自然现象尽管错综复杂、千变万化，但是其基本规律却是简洁的，而凡是真实的，是客观存存的。因此物理学的美是对自然世界真实美的发现，这种真实和简洁的美一直是物理学家们追求的一个目标。科学美是简洁的，是富有想像力的。我们回顾一下人们对微观世界的认识过程，看看物理学家们是如何描述原子的。20世纪初，汤姆孙一发现原子叮以分成带负电的电子和其他正电物质，马上就端出一个美味的撒有葡萄干的蛋糕，蛋糕就是原子的本体，葡萄干就是电子。汤姆孙的原子模型充满了想像的美感。1911年，卢瑟福用实验发现原子里应该有个核，电子绕核旋转，就像行星绕太阳旋转一样，一个原子就像一个太阳系！这样描述原子，使得卢瑟福的原子模型有一种超越时空的简洁美。20世纪20年代，人们又进一步发现原子的核外电子根本不是沿一定的轨道绕核旋转，而是按照某种概率出现在原子核外空间，就是所谓的“电子云”。

在物理概念、公式和定律真实而简洁的形式美后面，包含了更多创造的美、思想的美、和谐统一的美。维斯可夫说：“事物都在雾中，而你突然看出一个结论来……把一直在你内心的东西连结起来，而这些东西以前从未被连接起来过。”

你想进一步拥有这样的美感体验吗？

物理学充满着哲理

物理学注重质疑和反思。有人说：“像牛顿和爱因斯坦这类天才成为天才的原因是：他们问很明白、很天真的问题，结果是，这类问题的答案却惊天动地。”如果总是相信一切已知的事实，物理学就不会发展成今天的物理学了。我们平常工作和生活中如果没有质疑和思考，那么就没有了自身发展的基础。

物理学讲究互补，容纳多元。比如光可以看作为波，也可以看作为粒子。不要以为生活中的事物不是黑的，就是白的。和真理对立的不见得就是异端，因为真理可能有许多不同的面向。

物理学承认因果性，爱因斯坦提出光速是任何物质的极限速度的思想，它的一个基本出发点就是因果性，无因不成果。然而因果性又是与概率性密切有关的。一个“因”形成的“果”中只存在一种可能性，这是牛顿力学中确定论的观点。现代物理学发现，更普遍的情况是，一个“因”形成的“果”中存在着多种可能性。生活中充满着机遇，但机遇只偏爱有准备的头脑，在“不确定”和“混沌”中找出自己最好的发展道路，可以促使我们沿着不同的方向获得成功。

物理学是个“生命体”

物理学是有生命的，她孕育的时间挺长，但真正诞生到现在只有300多年，而且还在不断地加速发育成长。物理规律和体系可以比拟为这个活体的骨架，那么科技发明就是这个活体的四肢，不断发现的新实验和新现象就是这个活体的血和肉，而物理学家们则是这个活体的头脑。我们懂的东西越来越多，掌握的科技越来越先进，有意思的是我们不懂的东西反而更多，面临的挑战也更严峻。超导、超流、纳米技术、能源、材料、宇宙演化、时空本原，以及思维智能和生命现象等等一大堆东西正在困惑当前最聪明的物理学家们。

可以这么说，我们现在知道的东西肯定比亚里士多德知道的多，甚至超过了牛顿，但是我们的智慧、热情、对自然之谜的追求不一定随着我们的知识增加而增加。要成为物理学这个活体的一个脑细胞，首先需要你的大脑是一个活体，而不仅仅只是一个知识的容器。

物理学是可爱的，这种可爱来源于自然世界本身的无穷奥秘，来自于一代代物理学家们的智慧，还来自于你的求知欲和努力感悟。爱因斯坦说过，“科学对于人类事务的影响有两种方式。第一种方式是大家都熟知的——直接地、并在很大程度上间接地生产出完全改变了人类生活的工具；第二种方式是教育的性质——它作用于心灵。”让我们继续投身到对自然世界的不断探索和追求中，用我们的心灵去体验、创造和应用更加可爱的物理学吧！

发布时间：2016/9/21 上午10:38:16  阅读次数：2583