宇宙结构演化

结构形成星系演化恒星演化黑洞介绍

早期宇宙物质：均匀气体，微小密度起伏早期宇宙：温度很高 介质主要以辐射的形式存在温度降低到一定程度 宇宙介质开始以一般物质形态为主 微小密度起伏才能增加，开始结构形成Jeans 不稳定性 ( 20 世纪初 ): 密度偏高的区域足够大，引力使这区域内

的密度增大

演化图示，均匀到不均匀

宇宙中已知重子物质只占大约 5% ： 结构形成以暗物质为主导大尺度上重子物质与暗物质分布一样光速有限：可以通过观测不同距离 ( 因而

年龄不同 ) 的星系来研究其演化历程例：观察距离 5000 万光年的室女座星系团

中的星系，它的光是 5000 万年前发出大型望远镜： 观测处于宇宙深处更年轻的星系

刚从原始气云凝结出来的星系胚胎： 现在了解得不是很清楚在第一代明亮恒星形成以前，目前最强大

的望远镜仍很难观测这些遥远的暗弱气体随着时间的推移，原始星系云开始收缩和

冷却，一步步分裂为更小更密的碎片，这些碎片中最终诞生出第一代恒星

第一代恒星比太阳要重得多，明亮得多寿命也短得多：大约 1000 万年内便耗尽了

自己的燃料通过爆发形式把自己内部合成的重元素抛

回星际空间，进入第二代、第三代恒星形成和演化的循环

星系形成越晚，恒星代数越少，重元素的含量越少，颜色越蓝

原星系中心区： 收缩快，密度高，恒星形成率也高中心区的激烈弛豫： 形成旋涡星系的星系核或椭圆星系整体 星系的自转离心力： 阻止赤道面上进一步收缩，造成不同的扁度 气体随机运动和恒星辐射加热：部分气体未

聚合为星胚，碰撞作用而沉向赤道面，形成旋涡星系和不规则星系

激烈弛豫的结果：使星系从形成之初就已基本定形并保持下来，不再显著变化

几亿年：由原星系形成为年轻星系此后百亿年：星系一般自身演变十分缓慢除因邻近伴星系的潮汐作用等因素造成了

物质“桥”、“尾”或“剥去”星系外围物质外，星系结构一般无大变化

星系 Arp 188（尾）

Tétard 星系碰撞后图像（尾）

角

早期星系的密度比现在高得多引力作用：相邻星系彼此靠近，产生潮汐

形变甚至合并为一 有的星系拖出一条“尾巴”，有的星系长

出两支“角”，有的双星系之间有“桥”相通

同时星系也慢慢地开始结团，形成星系团和超星系团等结构

空洞也因此形成

恒星演化恒星形成：气体云块碎裂的结果恒星是成批形成的碎块的不同：造成大小不等的大量恒星引力作用：首先这些碎块向自身质心坍缩坍缩过程中：碎块气体内部将建立一个中

心高 , 向外逐渐降低的密度分布

一般来说 ,压强与密度成正比星体内部将形成压力梯度压力梯度将对质元产生向外的推力当这推力处处与引力相抵消 , 这个气体碎块就在整体上形成了力学平衡 , 使坍缩停止

坍缩是一个很快的过程达到力学平衡后气体中心温度还不足以发

生热核反应 , 因此所形成的还不是通常意义下的恒星

天体物理上把它叫做原恒星

红点是新的恒星

由于没有核能源 , 原恒星在热学上不稳衡温度梯度的存在使热量从中心向外流出热量流动降低气体温度，削弱温度梯度压强与温度有关 ,压强梯度相应受到削弱力学平衡被破坏 , 占优势的引力将继续使星

体缓慢地收缩

星体收缩释放引力热能部分引力势能将转化成气体内能：星体内

部温度将升高，温度和压力梯度增大热量流出造成的星体收缩始终是在很接近

力学平衡条件下进行：很缓慢

原恒星是发光的星体： 收缩所释放的一部分引力势能会以辐射的

形式从表面放出原恒星：颜色发红，巨大的星体太阳：原恒星时表面温度约为 3000K ，早

期半径约比太阳大 103倍

四个原恒

星

（一）

（二）

（三） （四）

原恒星演化过程中星体内部温度不断升高中心温度达到 107K左右：氢转化为氦的热

核反应原始气体化学组分主要是氢和氦，氦的热

核点火温度要比氢高一个量级原恒星演化成恒星时，首先点燃的是氢 ,此即主序星阶段

氢燃烧完后，恒星再度收缩升温才会发生氦的点火

气体压强：来自组分粒子的动量星体内电离气体，它的压强主要来自电子

动量的贡献电子是费米子，简并压强： 即使电子气体温度是 0K ，也有大量电子处

于动量不为零的状态，对压强有贡献简并气体，气体密度很高： 简并压强将超过无序热运动引起的压强，

成为总压强的主要来源

恒星的最小质量

简并气体压强决定性地依赖于密度 几乎与温度无关星体密度很高时，辐射消耗的内能不再对压强有影响，星体的收缩将停止

如果原恒星质量太小，其中心区气体已高度简并时其释放的引力势能仍不能使氢点火，星体就不能变成恒星

理论计算：原恒星质量小于 0.08个太阳质量 ,就永远不会有核点火发生

主序阶段

恒星青壮年期：恒星在这一阶段停留的时间占整个寿命的 90% 以上

相对稳定阶段，向外膨胀和向内收缩两种力大致平衡，恒星基本上不收缩不膨胀

恒星停留在主序阶段的时间随着质量的不同相差很多

质量越大，光度越大，能量消耗越快，停留在主序阶段的时间越短

星团中的恒星大部分是同时形成的随星团年龄的增长 , 其中的恒星将按质量从

大到小为序先后结束它的主序期星团中残留主序星的最大质量可作为星团

年龄的标志

恒星演化进程：核燃烧的逐级交替氢烧成氦→氦变成碳的核燃烧 这种热核反应的温度约为 108K再下一步：碳核燃烧（最多变成硅），需

要温度约是 5*108

热核燃烧最后一步： 温度约在 109K ，硅最多烧成铁铁是平均结合能最大的原子核，不能再做

为热核反应的燃料

热核反应逐级交替的机制：恒星收缩升温每级核反应燃料耗尽：恒星将缓慢地收缩收缩中引力势能部分地转化为热能，使内

部温度逐渐升高，直至下一级点火发生并不是每一个恒星都能烧到铁，这与恒星

质量有关

恒星质量越大，越大的势能释放能力，能达到更高中心温度，引发更高级核燃烧

恒星质量大于 0.35个太阳质量，后继的氦燃烧才能发生

恒星质量大于 10个太阳质量，才能逐级烧到铁

恒星中核燃烧的逐级交替过程相当复杂

太阳的演化

太阳：目前是一颗主序星现在年龄： 46亿多年，主序阶段已过去约

一半的时间，还要 50亿年才会转到另一个演化阶段

与其他恒星相比，太阳的质量、温度和光度大都居中，一颗典型的主序星

研究太阳→主序星的很多性质 恒星研究结果→了解太阳性质

太阳核心氢燃烧结束后 , 中心部分主要元素是氦

外层氢因温度不够而没有点燃失去了核反应作能源 , 太阳的引力将再次引

起星体收缩收缩升温的结果不是先点燃核心部分的氦 ,

而是先点燃中心附近的氢接着产生的状态叫恒星的氢壳燃烧相

氢壳燃烧时 , 太阳核心部分仍未达到氦点燃温度而继续收缩

引力势能和氢核能同时释放：太阳光度显著增大

同时有大量能量从内部流出，壳外气体将在光压的驱动下发生膨胀

膨胀使太阳表面温度下降，颜色变红太阳在氦点燃之前先演化成了红巨星

红巨星时期的地球

太阳红巨星阶段 ,壳上的氢燃烧使以氦为组分的星核逐渐增大

星核收缩直到达到氦点火的温度氦点火过程非常剧烈，会引发爆炸爆炸后留下的残骸将继续进行稳定氦燃烧太阳这阶段核燃烧结束后，达不到碳燃烧

的条件太阳走向了死亡，变成白矮星

太阳的一生

质量小于 10个太阳质量的中小恒星：逐级核燃烧都将因质量不足而终止在硅点火之前的某一级上

这些恒星演化后期，都会发生周期性的涨缩或爆炸，使星体部分或大部分物质被抛向星际空间

最终剩下的质量一般在一个太阳质量左右或以下

天文上观测到的白矮星：这类恒星的残骸

太阳质量的白矮星

质量大于 10倍太阳质量的恒星：都能通过逐级核燃烧，直到核心部分形成铁星核

同时恒星的星体形成葱头状结构各壳层上的燃烧仍在继续硅壳燃烧使铁星核质量不断增大此时铁星核靠简并压在维持平衡理论计算：电子气简并压最多能与 1.4个太

阳质量的引力抗衡一旦铁星核的质量超过这个极限 ,电子简并压将无法维持平衡

星核将发生引力坍缩

星核坍缩造成两方面的后果一是星核中的铁最终会变成中子气体中子也是费米子，中子简并压能与 2 到 3个太阳质量的引力相抗衡

若星核最终能平衡下来→一颗中子星若质量超过限度而无法平衡： 最终将形成黑洞黑洞

太阳质量的中子星，只有十几公里大小

另一方面 , 星核坍缩后期的反弹会产生向外的激波

激波传到外壳，壳中大部分物质将被加热而一起燃烧

这个燃烧十分剧烈 ,将导致整个外壳发生爆炸 ,并把全部物质抛向星际空间

这就是超新星爆炸

超新星1987a

黑洞

米歇尔（ 1783 年 ,英国）： 一个质量足够大并足够紧致的恒星，引力场将强大到连光线都不能逃逸

任何从恒星表面发出的光还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来

1969 年美国科学家惠勒为描述这个思想提出了”黑洞”这一名词

逃逸速度：从某一星体表面逃离该天体 物体必须达到一定的速度

星体密度越大 , 它的逃逸速度就越大

星体密度足够大时，即使物体速度达到光速仍然不能从它的表面逃离地球的 Schwarzchild半径： 0.89cm

计算逃逸速度：火箭动能大于其引力势能时，火箭就能逃离地球

K.E.

P.E.

Schwarzschild 半径

Schwarzschild (1876-1916)

不同物体的 Schwarzschild半径

黑洞的结构

黑洞的具体研究：爱因斯坦的广义相对论相对论：物质引起时空的弯曲

Albert Einstein (1879-1955)

黑洞附近的时空

黑洞表面的光子轨迹

• 黑洞附近：引力十分强大，不同半径处的引力强度相差非常大，即引力梯度很大

黑洞带有电荷，它会有两个视界

从理论上说虫洞是连接黑

洞和白洞的通道

黑洞辐射：机制是通过虚粒子对的产生产生的粒子对一个有正能量，另一个是有负能量的虚粒子

虚粒子的寿命很短，它必须找到实粒子与之湮灭

如果黑洞附近产生的虚粒子对中负能量粒子被黑洞吸引进入黑洞视界，它的引力势能将变小，而这个粒子则有可能变成实粒子，不再需要和实粒子湮灭

而若另一个正能量粒子逃离黑洞，对远处的观察者来说就像是从黑洞发射出来一样，相当于黑洞的辐射 (Hawking Radiation)

黑洞物理的研究是宇宙学的前沿课题量子引力，弦论复杂的数学工具传奇的人物： Hawking