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一、繁星闪闪窥天机
2010-01-13 23:18:51 来源: 作者:陈力 【 】 浏览:10433次 评论:0

一.恒星 是什么?

 

仰观夜空,繁星 闪烁,银河在天。如此景象在大都市中已经难得一见了。城市人来到乡村,除了为山川的 秀色而陶醉,到了夜晚,也常常会为有幸一睹久违的 星 空而兴奋。

恒星 是夜空中的 主角。肉眼可见的 满天群星 之中,除了少数几个大行星 之外,绝大部分都是恒星 。虽然我们用望远镜可以轻易看见月球、木星 、土星 等天体表面的 特征,但是对于恒星 ,无论你用多大的 望远镜,却永远是一个点,最多带一点色彩而已。那么,对于天上的 繁星 ,是否除了亮度的 差异,我们就无从了解其本质了呢?

 (图:望星 空)

随着近现代天文观测技术的 迅速发展,人们先后发明了照相术、分光观测技术和高分辨率测量系 统等,伴随天体物理学的 发展,我们终于得以窥识恒星 的 种种天机。

 

恒星 究竟是什么?单从字面上看,恒星 好像是指恒定不动的 星 。在古人心目中,恒星 的 确是不动的 ,他们把这作为区别恒星 与行星 的 主要依据。然而,现代天文研究发现,所有的 恒星 在宇宙中都是不停地运动的 ,只不过它们距离我们实在太远,因而很难在短时间内辨别出它们相对位置的 变化。而利用现代的 高分辨率测量方法,天文学家已经测出了大量近距离恒星 的 准确运动速度。

恒星 的 本质在于它们是能够自己发光发热的 天体,如同我们的 太阳一样,是一团团熊熊燃烧的 气态大火球,

(图:哈勃望远镜中所见多彩的 恒星 世界。)

散布于广袤的 宇宙空间。而与之相对的 是行星 、卫星 、彗星 等天体,它们自身并不发光发热,而是靠反射太阳光才为我们所见。所以,恒星 区别于行星 的 重要特征,就是恒星 通过自身内部的 热核反应而发热、发光。在浩瀚的 繁星 世界里,太阳只是一颗非常普通的 恒星 ,只是因为离地球最近,才成了天空中最大最亮的 天体。其他的 恒星 ,因为离开我们极其遥远,看上去就成了一个个闪烁的 亮点。

满天的 恒星 ,其实就是满天的 “太阳”。

二.恒星 的 大小

虽然我们用望远镜看不出恒星 的 大小差别,但是天文学家仍然有办法间接地推算出恒星 的 体积差异。

恒星 之间的 体积相差悬殊。太阳的 直径将近140万千米,“身躯”内装得下130万个地球,但在恒星 世界里,这样的 个头实在算不了什么。很多恒星 的 体积都比太阳大,例如仙王VV星 的 半径就达到太阳的 1600倍,堪称恒星 世界的 “巨人”。当然,也有不少恒星 比太阳小,最小直径可小到太阳的 十分之一。而若考察一种演化到末期的 恒星 遗骸--中子星 ,其直径只有几十千米,堪称恒星 “侏儒”了。

相对来说,恒星 质量的 差别要小得多。太阳的 质量约2×1030千克(2千亿亿亿吨),是地球的 33万倍,但在恒星 中仅处于“中游”水平。恒星 中质量最大的 约为太阳的 120倍,最小约为太阳质量的 十分之一。

(图:白矮星 、中子星 与地球大小的 比较。)

(图:金牛座中的 毕宿五是一颗红巨星 ,体积比太阳大得多)

三.恒星 的 温度和颜色

恒星 是有颜色的 。如果对恒星 进行照相,由于长时间的 星 光累积,不同恒星 的 色彩差异将更为显著。

其实,每一颗恒星 都是一个炽热的 气体球,其内部温度高达几千万度,进行着剧烈的 热核反应。核心释放的 巨额能量通过辐射、对流等过程向外输送,使星 球的 表面增温而发光。由于年龄和质量的 不同,各恒星 之间的 表面温度差别很大。

恒星 的 颜色,反映的 是恒星 的 表面温度。蓝色的 恒星 ,表面温度高,可达3、4万摄氏度,而红色的 恒星 ,表面温度要相对低很多,只有2、3千摄氏度。恒星 的 颜色和表面温度之间大体上有着以下的 对应关系 :

                  颜色         表面温度(摄氏度)

                   蓝            25000-40000

                  蓝白           12000-25000

                   白             7700-12000

                  黄白            6000- 7700

                   黄             5000- 6000

                   橙             3700- 5000

                   红             2600- 3700

(图:猎户座中的 恒星 。其中左上角的 亮星 参宿四是颗红超巨星 ,颜色明显发红)

【思考与讨论】

·          恒星 的 颜色可以用来表征恒星 的 什么性质?红色的 恒星 与蓝色的 恒星 比较,哪颗星 更热 ?

·          恒星 发光的 能源来自何方 ?

四.恒星 的 光度与亮度

满天星 斗,明暗悬殊。恒星 的 亮和暗,与什么有关?

研究表明,恒星 的 发光本领相差非常大。恒星 单位时间辐射的 总能量也就是恒星 的 发光强度,简称光度。它除了与恒星 的 表面积成正比之外,还与恒星 表面温度的 4次方成正比。通常以太阳光度为单位,光度最大的 恒星 ,可达太阳光度的 1百万倍;而光度最小的 恒星 ,约只有太阳光度的 1百万分之一。在天文学中,把光度小的 恒星 ,称为矮星 ;光度大的 恒星 ,称为巨星 ;光度特别大的 恒星 ,则称为超巨星 ,它们的 直径通常也很大。

实际观测到恒星 的 明暗程度称为亮度,亮度的 大小取决于天体的 实际发光本领和天体的 距离两个因素。同样光度的 天体,离开我们越远亮度就越小,亮度与天体距离的 平方成反比。

为了比较恒星 的 真实发光能力,天文学家定义了一个绝对星 等来表示恒星 的 光度。也就是假想把不同距离的 恒星 放在同一条“起跑线”上进行比较。恒星 的 这条“起跑线”就定义在离开我们32.6光年远的 地方。把恒星 放在这个标准距离处,它所显现的 亮度用绝对星 等来表示。而我们在地球上实际看到的 恒星 星 等,则称为视星 等。

因此,一颗恒星 ,它的 视星 等亮(即星 等数值小),它发出的 光不一定真强,而绝对星 等亮,它发出的 光才真正的 强。比如说,太阳的 视星 等是 -26.7等,绝对星 等是4.85等;织女星 的 视星 等是0.03等,绝对星 等是0.6等。因此,织女星 发出的 光,实际上比太阳强50倍。

大多数恒星 的 亮度基本保持恒定不变,但有时由于恒星 之间的 互相遮掩,或恒星 体积时胀时缩的 周期性变化,或恒星 在短时间内发生爆发,都会使其亮度发生明显的 变化,这种发生明显亮度改变的 恒星 通称为变星 。

【小资料]

星 等  早在公元前2世纪,古希腊天文学家依巴谷就已经把肉眼所见的 恒星 按亮度分成六个等级,最亮的 是1等星 ,最暗的 为6等星 。到了19世纪,由于出现了可以测量恒星 亮度的 光度计,英国天文学家普森就提出,把1等星 与6等星 之间的 亮度差别,严格地定义为100倍,也就是说,星 等每增加1等,亮度就降低为原来的 2.512分之一。根据这个定义,就可以有0等星 (它比1等星 亮2.512倍),还可以有负星 等,小数星 等等。(图:一些著名天体的 星 等)

【思考与讨论】

假设A星 与B星 的 视星 等相同?但A星 到地球的 距离是B星 的 2倍,哪颗星 的 绝对星 等大?

五.恒星 的 运动

古时候,人们观测发现,除了每天周而复始的 东升西落,天上的 绝大多数星 星 在几十年甚至几百年的 时间里,相互之间的 位置都没有什么变化,但也有少数几颗星 会在这个恒定不变的 背景中做相对运动。古人发现了这两类天体的 不同,就将后者称为行星 ,而将前者称为恒星 ,这一名称沿用至今。然而,恒星 这一名词其实是名不副实的 ,因为它们其实也在不停地运动着,速度甚至高达每秒几十千米以上,只是由于它们离我们极其遥远而不容易觉察到罢了。

天文学上通常把天体的 运动速度沿两个方向分解,一个是沿观测者到天体的 视线方向,称为视向速度;一个是与视线相垂直的 方向,称为切向速度,切向速度在天球投影面上表现为自行,也就我们直观上所看到的 天体在天球上位置的 变化速度,自行与该天体的 距离相乘,就可以得到切向速度的 大小。

测定恒星 自行的 基本原理是,相隔一段比较长的 时间,精确测定同一颗恒星 在天球上的 位置,并加以比较,从而确定该恒星 每年在天球上移动的 角度,称为恒星 的 年自行。肉眼可见恒星 的 年自行大多小于0.1角秒,目前所知自行最大的 恒星 是蛇夫座的 巴纳德星 ,年自行为10.31角秒。即使是这颗星 ,也得经过170多年才移动一个月球直径那么大的 一段距离,难怪古人要把它们当作是恒定不动的 天体了。

 

恒星 自行虽然很小,但是在漫长的 岁月中,它会使恒星 间的 相对位置发生显著的 变化。在天空中,由一些星 星 构成的 图案,如北斗七星 ,是我们所熟悉的 。由于恒星 自行的 缘故,在十万年前或十万年后它的 形状和现在就完全不同了。 (图:北斗七星 形状的 变迁。10万年前的 北斗七星 (上),现在的 北斗七星 和每颗星 的 运动方向(中), 10万年后的 北斗七星 (下)。)

恒星 自行的 大小并不能反映恒星 真实运动速度的 大小。同样的 切向运动速度,距离远就看上去移动缓慢。巴纳德星 的 自行较大,主要是因为它离我们较近(不到6光年),而其真实的 切向运动速度(每秒88千米)在恒星 的 赛跑中其实并不快。

恒星 的 自行反映的 是恒星 在垂直于我们视线方向的 运动,而在沿我们视线方向的 运动,则用视向速度来表示。视向速度不能直接被观测到,但可以采用多普勒效应的 原理,利用恒星 光谱的 特性来测定。巴纳德星 的 视向速度是每秒108千米并正向我们靠近。

恒星 的 真实空间速度是切向速度和视向速度的 合成,例如巴纳德星 的 空间运动速度大小实际为每秒139千米。

【思考与讨论】

也许你有过这样的 经验:当火车向你奔驰而来时,你听到的 是火车刺耳的 鸣笛声。一旦火车从你身旁驰过以后,刺耳的 笛声立即变得低沉,这就是声音的 多普勒效应。恒星 发射的 光同样也有这种效应,请查阅有关资料,了解一颗恒星 快速远离我们而去时,我们看到它的 星 光应该变蓝还是变红?

 

六.恒星 的 距离

 

我们已经知道恒星 距离我们十分遥远,但到底有多远?我们又怎样去测量其距离?测定天体的 距离,是天文学研究中最基本、却也是最困难的 问题之一。天文学家为解决这一难题可谓费尽心计。除了人们熟知的 三角测量方法以外,还不断引入新的 测距途径,如光度距离、速度距离、尺度距离、宇宙学距离等等。

 

测定天体距离最基本的 方法是三角视差法。如图所示,相隔半年时间,在地球公转轨道直径的 两端观测同一颗恒星 ,可以测量得到该恒星 对地球轨道半径的 张角,称为恒星 的 视差。已知地球轨道半径约为1.5亿千米,于是由几何关系 就可以推算出恒星 的 距离。我们现已知道,最近的 一颗恒星 (比邻星 )距离我们为4.2光年,相应的 视差角小于1角秒,其它恒星 距离更远,视差角当然也就更小,测定起来相当困难。目前人类借助空间观测手段,用三角视差法测定恒星 距离的 最远范围大致不超过500光年。银河系 的 尺度约为10万光年,其中绝大部分恒星 的 距离远远超出今天三角视差法的 适用范围;为了测量更远恒星 的 距离,天文学家们必须另辟蹊径。 (图:三角视差测定原理)

【小资料]

光年:恒星 离我们太遥远,用普通的 长度单位表示很不方便。天文学家就发明了“光年”来量度恒星 间的 距离。1光年是光在一年中通过的 距离,约等于10万亿千米。

 

同样光度的 天体,离开我们越远亮度就越小,即亮度与天体距离的 平方成反比。如果能通过其他途径确定天体的 光度,那么根据同一天体的 光度和亮度,也就可以确定它的 距离。天文学家已经找到了好几种确定天体光度的 方法,其中最著名的 当推造父变星 的 “周光关系 ”,即利用这类变星 光变周期和平均光度之间存在的 确定关系 ,由光变周期来求得光度,适用范围可达500多万光年,远远超出三角视差的 能力范围。(图:造父变星 周光关系 )

 

研究表明,某些特殊的 天体具有确定的 光度,它们可以用来作为宇宙中的 “标准烛光”,并由此推算出天体的 距离。这类天体包括新星 (一种爆发型的 变星 )、超新星 (参见第4章)、天琴RR型变星 、星 系 中某类球状星 团(参见第3章)的 光度等等,其中适用范围最远的 是Ia型超新星 。这一类超新星 爆发时极为明亮,最大光度又非常恒定,是一种很好的 标准烛光,所测定的 光度距离最远可超过100亿光年。

 

【思考与讨论】

你如何理解具有确定光度的 一类天体可以作为“标准烛光” ?如果已知一类天体具有确定的 大小(以光年为单位),你能利用这个特性来推算天体的 距离吗?

Tags:繁星 闪闪 天机 责任编辑:linq
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