第三章 恒 星

恒星是指由内部能源产生辐射而发光的大质量球状天体

恒星的主要参数范围

参数 变化范围

质量 M 10-1M⊙≤M≤102 M⊙

半径 R 10-3R⊙≤R≤103R⊙

表面温度 T 103K≤T≤105K

光度 L 10-4L⊙≤L≤106L⊙

3.1 恒星参数的测定

一、恒星的距离 恒星离我们非常遥远，除太阳外，离我们最近的恒星是半人马座比邻星，距离约为 4×1013 千米。

利用地球公转测定恒星的视差角

恒星的距离是借助于测定周年视差而获得的

r=a/π

太阳到恒星的距离为 r, 单位为光年或秒差距

日地平均距离为 a ，单位为天文单位

恒星的周年视差为 π ，单位为弧秒

三个著名恒星距离

名称 视差 距离

比邻星 0.76 ″ 4.3 光年

织女星 0.12″ 27 光年

天狼星 0.37″ 8.8 光年

以上讲的三角视差法误差较大 ,故可改用其他方法测量 , 如分光测量法、造父变星法等。

分光测量法是利用恒星中某些谱线的强度比和绝对星等的线性经验关系，即由测定一些谱线对的强度比求绝对星等，进而求出距离。

二、恒星的亮度和视星等 恒星看起来的明暗程度称为视亮度，简称亮度，用 E 表示

在天文学上，星的亮度用星等表示。古人按照星的明暗程度把星星分为 6 个 亮度等级，天球上约 20 颗最亮的星称为一等星，肉眼刚刚能看到的星称为六等星。通常以拉丁字母 m 表示星等。这个星等系统原则上保留到现在，并给予标准化后推广到特别亮的天体以及肉眼看不见但用望远镜能看见的暗星上去。

m=-2.5lgE

三、恒星的光度和绝对星等

恒星真正的发光本领称为光度，用 L表示。它是恒星每秒钟向四面八方发射的总能量

为了比较不同恒星的光度，假想把恒星都移到同样的距离比较亮度。天文学中把这个标准距离取为 10 秒差距，相应于 10 秒差距距离上的星等值称为绝对星等，用 M 表示。

四、恒星的大小、质量和密度

恒星的大小用其角直径在大小来表示，其测量的主要方法有三种：•月掩星法•干涉法•光度法

星名 视差( 弧秒 )

角直径（弧秒）

线直径（太阳直径为

1 ）猎户座 α 0.005″ 0.047″ 1000

鲸鱼座 α 0.023″ 0.056″ 480

金牛座 α 0.048″ 0.021″ 94

御夫座 α 0.073″ 0.004″ 13

天狼 A 0.375″ 0.006″ 1.85

太阳 1.00

天狼 B 0.375″ 0.000077″

0.044

范玛伦星 0.235″ 0.000019″

0.009

恒星的质量是很重要的一个参量，但是除太阳外，目前只能对某些双星进行直接测定，其他恒星的质量都是间接得到的，如通过质光关系来测定的。

1 、测定双星质量的基本原理是依据开普勒第三定律——双星系统的总质量与轨道半长径的立方成正比，与轨道周期的平方成反比

3

1 22

am m

P

结合天体测量法测出两子星相对质心的距离 和 , 则可知两子星的质

量比1a 2a

1 2

2 1

m a

m a

从而可求出每个子星的质量

２、质光关系：对于质量大于 0.2 M ⊙的主序星（见３ .6 节），恒星的质量和光度之间有很好的统计关系，称之为“质光关系”。恒星的质量越大，其对应的光度越强。一般符合如下关系

lg(L/L⊙)=3.8lg(M/M ⊙)+0.08

3.2 恒星光谱及其相关性质

太阳的光谱是红、橙、黄、绿、青、靛、紫七色，原因是什么呢？

一、光谱概念的物理基础 天文学包括天体力学、天体物理学等数十个分支，量子力学的建立，使人们能正确地认识微观世界，爱因斯坦狭义相对论和广义相对论的建立改变了人们对时间和空间本质的认识，同时也给了天文学家更深入认识恒星和天体的一个理论工具。

量子力学创立于 20 世纪初，是研究电子、质子、中子以及原子和分子内其他亚原子粒子运动的一门科学。相对于量子力学，牛顿力学称为经典力学。利用牛顿力学，人们认识了太阳系。同样，人们想象一个原子就是一个小太阳系：核在中心，电子在固定的轨道绕核“公转”。但按照量子力学的说法，原子中没有电子运动的轨道，只能说电子可能出现在什么地方。

按照量子力学的说法，光既是波也是粒子，称为波粒二象性。不仅光是如此，任何看似粒子的物质都具有波动性。

关于量子力学中的不确定性，有两种对立的见解，以玻尔为首的哥本哈根学派认为这是最后的、基本的规律，以后只能靠获得不确定性更详细的知识来丰富量子力学。而以爱因斯坦为代表的一些科学家则反对这种观点，他们认为这是目前知识不完备的结果，将来会有新的理论来恢复严格的决定论。

二 恒星光谱与氢原子谱线

• 光谱有连续光谱，线光谱和带光谱。

太阳光谱其实并不是一条连续的光带，而是带有许多暗线条

氢原子光谱（巴尔默系，背景彩色是为了表示三条光谱线的位置而加进去的）。

三 光谱在恒星研究中的应用

1 、确定恒星的化学组成

2 、确定恒星的温度

3 、确定恒星的视向速度和自转

四、恒星的光谱、颜色和表面温度之间的关系恒星的光谱型与颜色、表面温度的关系

光谱型 颜色 表面温度（开）

典型星

O 蓝 40 000~25 000 参宿一B 蓝白 25 000~12 000 参宿五A 白 11 500~ 7 700 织女星F 黄白 7 600~ 6 100 小犬座 α

G 黄 6 000~ 5 000 太阳K 橙 4 900~ 3 700 牧夫座 α

M 红 3 600~ 2 600 心宿二

五、恒星的赫罗图

3.3 变星和新星

亮度在较短时期内有显著变化的星为变星。

有少数星的亮度可在几天内猛增几万倍，较原有星等减少 10-14等，把这些突然爆发的星称为新星。

一造父变星

• 造父变星又称长周期造父变星或经典造父变星，是脉动变星的一种，这类变星的亮度变化是周期性的，一般周期在 1.5～ 80 天之间。

• 周光关系：周期和绝对星等之间的关系。造父变星的平均绝对星等 M 与其周期的对数 lgP近似成直线关系

周光关系

新星

二、新星和超新星

• 亮度会在很短的时间内迅速增加，达到极大后慢慢减弱，几年或几十年后恢复到原来的亮度，这种星叫新星。

超新星

• 有些恒星爆发时规模比新星更巨大， 光度增加 1亿倍，这种星称为超新星。

超新星

3.4 恒星集团 由两颗星组成的系统称为双星 两个以上到十多个星组成的系统，相互间有力学关系，称为聚星

更大的恒星系统称为星团

一、双星

双星的两个成员都称为双星的子星，较亮的子星称为主星，较暗的称为伴星

（一）目视双星 在望远镜里能直接用眼睛看出是两颗星的双星

双星

（二）分光双星 用光谱分析的方法发现的双星

双星

（三） 交 食 双 星

二 聚星

二、聚星三颗到十几颗恒星聚集到一起，彼此之间有一定的物理联系，

这样的恒星团称为聚星。北斗七星中的开阳星就是著名的聚星。

开阳星

开阳主星

辅

星

双 星

密近双星

子星

子星

三合星

密近双星

三、星团

由几十颗到几百万颗恒星聚在一起，有着某些共同的物理性质，这样的恒星集团叫做星团

（一）银河星团 形状不规则，由几十到几百颗恒星组成，结构比较松散

金牛座中的昴星团和毕星团是最著名的银河集团

（二）球状星团 由几万颗到几十万颗老年恒星组成的具有紧凑球对称外形的恒星集团

银河系中已发现的球状星团最著名的是武仙座球状星团

四 星协

某些类型的恒星，如 O型星和 B型星，在天空中的分布有聚集成团的倾向，并且彼此之间具有物理联系，形成集团，这种特殊的恒星集团称为星协

可分为两类：一类主要有 O型和B型星组成，称为 OB 星协；另一类叫 T星协，主要由金牛座 T型变星组成

3.5 星云和星际物质 在恒星之间的空间中存在的各种各样的物质统称为星际物质，其中包括星云。

一 星 云

（一）行星状星云 行星状星云中央都有一颗很热的恒星，称为星云的核。环状外壳是一个透明发光物质构成的球或椭球。

（二）弥漫星云 弥漫星云是星际气体或尘埃的不规则形状的云，没有明确的界限。

它可分为亮星云和暗星云

二、星际物质

在没有恒星也没有星云的地方，充满着比弥漫星云还要稀薄许多的物质，这就是星际物质。

星际物质不是均匀的分布在空间里，而是聚集为一块块的“小云朵”。它们由气体和尘埃组成。

3.6 恒星的起源和演化 天体的起源：宇宙物质从另一种形态转化为这种天体形态的过程

天体的演化：天体在其存在时期内在不断变化着，不断进行机械运动、物理运动和化学运动，天体的质量、大小、光度、温度、磁场、结构、自转等都在变化，某些时期甚至与外界还有物质交换，这些统称为天体的演化

有关恒星起源和演化学说的发展，大体上可分为三个阶段：

第一阶段， 1850~1920年

第二阶段， 1925~1960年

第三阶段， 1960年至今

一 恒星的内部结构

主星序上的恒星，其内部能量来自核心区的热核反应，通过对流、辐射、热传导 3种方式传输到恒星表面

二 恒星的年龄

球状星团法：根据球状星团的演化特征来 确定恒星的年龄。发射性同位素法：根据衰减周期

星团

现代恒星起源演化理论把恒星的一生分为如下几个阶段：

引力收缩阶段、主星序阶段、红巨星阶段、爆发阶段、临终阶段

三 引力收缩阶段

快收缩阶段：从星云过渡到恒星的阶段。

慢收缩阶段：当内部压力与引力几乎相等时，原恒星处于准流体力学平衡状态，便开始慢收缩过程。

超新星

四主星序阶段

　　　质量越大，光度越大，能量消耗越快，恒星停留于主星序的时间越短

五　红巨星阶段

恒星离开主星序阶段，开始向红巨星演化，质量特别大的恒星则向红超巨星演化。大部分脉动变星都是处于红巨星演化后期的恒星。

六 爆发阶段

有行星状星云的核心爆发，新星爆发和超新星爆发。

七　临终阶段　　　 0.88M⊙≤M<1.44M⊙→白矮星 1.44M⊙≤M<3M⊙→中子星 M⊙≤M<70M⊙→黑洞

　

白矮星

八　小结

0.4M 至 3M 的恒星的演化 3M 以上的恒星的演化

各阶段的恒星

3.7 恒星起源与演化中的哲学思想一、新陈代谢是恒星演化的基本规律

二、吸引与排斥的对立统一是恒星演 化的动力

三、质量互变是恒星演化的主要规律

一 新陈代谢是恒星演化的基本规律

首先，恒星的演化是有生有灭的。生是指宇宙中的物质从一种形态转化为另一种物质形态。灭是指恒星从这种物质形态再转化成其他物质形态的过程。

其次，恒星的演化又是有灭有生的。就是指物质从新的弥漫物质或恒星的残骸这种物质形态，再转化成为另一种物质形态，既新一代恒星的过程。

再次，恒星的演化又是无限循环的。需要指出的是，这种循环不是简单的重复，因为新一代恒星与上一代恒星在化学组成上是有区别的。在重复上一代恒星的某些因素时又加进了许多新内容，是一个否定之否定的过程。

二 吸引与排斥的对立统一是恒星演化的动力

吸引是指恒星各部分之间万有引力的作用，使恒星收缩。

排斥是指微观离子的热运动所产生的气体压力和恒星内部的电磁辐射所产生的辐射压力，使恒星膨胀。

恒星的幼年期：引力收缩阶段，分快收缩和慢收缩两个阶段。

恒星的主星序阶段：引力和斥力势均力敌。

恒星的主星序以后阶段：引力占据主导地位，经过一系列反复的膨胀，收缩过程，恒星最终走向死亡。

三 质量互变是恒星演化的主要规律

1. 星云的质量小于金斯质量，星云不能转化为原恒星，不能引起质变。

2. 星体的质量小于 0.88M⊙，其内部的温度和密度将不足以开动氢氦聚变反应，星体只能靠引力收缩而发光。这种星体不经过主星序阶段，直接从红矮星转化为黑矮星并引起质变。

3 恒星爆发后剩下的质量 M决定着它的最终去向：

0.88M⊙≤M<1.44M⊙→白矮星 1.44M⊙≤M<3M⊙→中子星 3M⊙≤M<70M⊙→黑洞

END