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三、主序星、红巨星、白矮星、中子星、黑洞
1.主序星
在赫罗图中沿左上方到右下方的对角线主星序上的恒星，称为主序星（见图10.2）。它们亮度、大小和温度间存在稳定关系（质光关系，即它的光度和质量的3.5次方成正比）。一般温度高的星光度强，随温度减少光度也减弱，化学组成均匀和核心氢燃烧为氦。大质量星耗费能量比小质量星要快，而且，恒星质量越大，半径也越大，发光本领也越强，表面温度则越高。恒星在主星序上宁静地、稳定地发光，并度过它一生中大部分时间，随后它们离开主星序，就进入晚年阶段。在主序阶段，恒星的体积最小，因此，主序星有人也称为"矮星"。
2.巨星
赫罗图上体积大、温度低、光度大的一组星叫巨星，恒星演化至此氢所剩不多且额外的热能使它膨胀时发展成为巨大恒星，它的外层随后成为温度较低的红色层，称红巨星。在赫罗图巨星上方是超巨星。
3.白矮星
在赫罗图左下角的一群星，与矮星不同，它已不是正常星了。光度低，表面温度高，是小而白热化的天体。光谱型为A型，称为白矮星。当白矮星停止发光时就变成黑矮星，成为宇宙中的暗物质。
天狼星的伴星是最早发现的白矮星之一。早在19世纪30年代，根据天文观测，天狼星在天球上的视运动路径不是直线，而是呈波浪式的，所以，当时天文学家就断定，天狼星一定有一颗看不见的伴星。但是天狼伴星太暗，而天狼星又太亮，给当时观测造成很大困难，大约过了30年，天文学家才在高倍望远镜里找到了天狼伴星。它的视星等为8.4等，光谱型为A型，绝对星等11.3等,质量是太阳质量的0.96倍（根据求双星质量的方法求出的）,半径与地球相差不多（根据测算），但平均密度为1.75×105g/cm3（依质量和大小可求出），是太阳平均密度的125 000倍。
白矮星的特性可描述为：光度很低，多数光度为太阳光度的1/10～1/100，绝对星等级9～14等，半径通常小于是109cm，同一颗行星的大小差不多，已知的白矮星的质量为太阳质量的0.3～1.2倍，平均为0.7倍，大多数白矮星的光谱为A型，谱线主要是氢线，白矮星表面温度相差很大，从5000K～50 000K，平均密度特别大，在105 g/cm3～109g/cm3之间，表面重力加速度也特别大，达到104～108cm/s2。据近年来的观测发现，有些白矮星有很强的磁场，这样的白矮星称为磁白矮星，磁白矮星的磁场强度一般为105高斯左右。
由于白矮星的密度大，就使得它的组成物质处于一种特殊状态，这种状态称为退化态或简并态，其特点是：在这种高温、高压、高密的条件下，原子的电子壳层不再存在，电子成为自由电子，组成电子气体。在白矮星内部，由于气体热运动而产生的压力、辐射压力都成为次要的，而电子运动所产生的压力抗衡引力，使白矮星不致塌缩，白矮星已耗尽了核能，没有能量来源，是靠冷却释放的能量而发光。
4．中子星和脉冲星
中子星的质量不超过太阳质量的三倍，为普通恒星的质量，但密度很大，体积很小，被强引力束缚，物质被挤压在很小的球体内，半径只有十几公里，磁场强度高达一万高斯以上。中子星磁场强，自转快且自转能转化为辐射能。
白矮星是在天文学家不知道它是什么样的星和它为什么辐射的情况下，凭经验发现的，而中子星的发现过程则完全不同，它与太阳系的海王星发现类似，也是在"笔尖"上先发现，是人类对恒星演化终态认识后提出的。
脉冲星是20世纪60年代发现的一类新异天体，现在普遍认为它是强磁场的快速自转着的中子星。自从1967年英国女天文学家贝尔在她的导师休伊什（Anthony Hewish）的指导下发现首例脉冲星至今，人们又探测发现到的脉冲星约1000多颗。其中绝大多数是射电脉冲星。科学家把射电脉冲星形象地解释为"灯塔"效应，因为他们的辐射束会周期地扫过，所以地球上可接收到这种极有规律的节奏脉冲信号。这种周期性的脉冲就像人体的脉搏有规律的跳动。脉冲周期有的只有几十分之一秒，甚至更短；长的也只有三四秒，脉冲之名就由此而得。一般符号记为"PSR（也有一些特殊的）"，后面跟着它在天球上的赤道坐标位置。例如：PSR1919+21，指的是脉冲星位于赤经19h19m，赤纬+21°。
脉冲星刚发现还没有证实时，人们还以为是外星人发来的讯号，"小绿人"的故事由此引发。天文学家通过继续观察，认为：如果信号果真是"小绿人"发出的，他们应该居住在某个行星上，行星绕它的"太阳"转动，应该引起脉冲星间隔时间的变化，然而没有观测到这样变化。到1969年1月底，进一步的观测记录和对以往记录的详细检查使他们确信，另外有3个源也会发出类似的脉冲信号，于是，"小绿人"的假说只好放弃，不成立。因为天上相距如此遥远的4个地方的"小绿人"不可能会约好用同样的频波，向地球发信号的。随后新的观测事实进一步证实他们是发现了新的天体，就是快速自转的中子星的特例--脉冲星，如图10.9。各具特色的脉冲星举例如表10.3.
图10.9 脉冲星的模型
表10.3 脉冲星例子
名 字 特 性
PSR0531+21 在金牛座蟹状星云中发现，其自转周期为0.033秒，它是目前能提供全波段资料的一颗重要天体，即除射电脉冲外，在光学、X射线和r射线等波段都接收到了它发来的脉冲。
PSR1937+214 1982年在狐狸座中发现，其自转周期为1.13毫秒，是现在已知周期最短的脉冲星为发出X射线脉冲的GX339-4，脉冲周期为1.56毫秒。
PSR1913+16 1974年10月发现的第一例射电脉冲双星，对其轨道周期变率的测定与爱因斯坦广义相对论的预言符合得相当好。这是第一次用天体力学观测给引力波的存在提供证据。
PSR1257+12 位于室女座距离我们1600光年的脉冲星，有三颗行星围绕着它运转，有趣的是这三颗行星与主星的距离和我们太阳系的诸行星一样，也符合"提丢斯--波得定则"。
PSR1820-11 1989年我国科学家发现的，主要是r射线，脉冲周期为0.279824秒
GRO1744-28 1995年12月，康普顿r射线空间天文台在银心附近发现的，它不但发出有规则的X射线和r射线脉冲，还发生每小时达到18次的奇怪的爆发。天文学家称此天体为"爆发的脉冲星"。
脉冲星的发现与研究取决于射电天文技术。有人认为：脉冲星辐射的能量是靠消耗它自身的自转能而来的，随着脉冲星不断地辐射能，它的自转逐渐变慢，这就是脉冲星周期缓慢变长的原因。实际上，脉冲星上的能量转化过程是十分复杂的，自转能首先转变为低频的磁偶极辐射，然后再转化为高能粒子的能量和电磁辐射的能量，目前，关于这种能量转化的机制人类还不十分清楚。
5 . 黑洞
黑洞是20世纪两大物理理论，即"广义相对论"和"量子力学"联合应用恒星演化终局问题所作出的预言。它是一种物殊的天体，很多观测事实表明它的存在的可能性。当时虽未找到它对应的天体名称，但由理论已提出黑洞的特点：一是黑，它无光射到地球上来，因而看不见它，二是它象一个洞，一旦落到它里面，就象掉入无底深渊，再也跑不出来，黑洞具有一个封闭的视界，就是黑洞的边界，外来的物质和辐射可以进到视界以内，而视界内的任何物质都不能跑到外面。
黑洞内部的辐射虽然发射不出来，但黑洞还有质量、电荷、角动量，它还能够对外界施加万有引力作用和电磁作用，物质被黑洞吸积而向黑洞下落时会发出X辐射等。天文学家将黑洞分为巨黑洞、恒星级黑洞和微型黑洞。
恒星级黑洞是恒星演化三种终局（白矮星、中子星、恒星级黑洞）之一，其中白矮星早在19世纪中期就被发现，关于中子星和恒星级黑洞的预言都是20世纪30年代末作出的，中子星的存在已于1967年被证实，而黑洞的观测证认依然是当今天体物理学的一大难题。
目前还无法观测孤独的黑洞。已知唯一寻找恒星级黑洞的途径是由双星提供。如果一个黑洞和一颗普通恒星相互绕转，组成一个双星系统，如图10.10所示。证认黑洞的第一判据--强的X射线。如果有黑洞存在，恒星的表层物质就可能被黑洞吸积。丰富的吸积物质在下落过程中释放的引力能不断转化为热能，温度会变得越来越高。在靠近黑洞的地方，就会发出强的X射线。证认黑洞的第二判据--质量大于3M⊙。因为双星中的中子星也可以是强X射线源，若能确定探测的对象质量大于3M⊙，就可以证认是恒星级黑洞，理论简单，实测较难。当然黑洞的基本特征应当是视界，而中子星却是一个有固体表面的球体，据近期报道：天鹅座X-1、大麦哲伦云X-3、A0620-00很可能是黑洞。天文学家对星系核中的巨黑洞证认工作也在进行，但由于对星系核的观测又比双星更加困难，对这类黑洞的证认基本还处于间接论证的水平。
图 10.10 近密双星系统
总之，黑洞的证认主要在恒星和星系两层次展开。对双星中X射线源质量测定，可以说已经证实恒星级黑洞的存在。但在找到足以表明视界存在的证据之前，谨慎者仍然只使用"黑洞的候选者"这样的称呼。
白矮星、中子星和黑洞统称致密星，是正常恒星走向死亡时"诞生"的，也就是说当它们的大部分核燃料已耗尽时的归宿。致密星的一些特性见表10.4。三种致密星与正常星的差别有明显的两点：
（1） 致密星不在燃烧核燃料，它们不能靠产生热压力来支持自身的引力塌缩。
（2） 它们尺度非常小，若与相同质量的正常星相比，其半径很小，但表面引力场很强。
表10.4 致密星特性
白矮星 中子星 黑洞
质量 ≤1.44M⊙ 1. 44～2 M⊙ >2 M⊙
半径 300～1200km <20km 几个km
平均密度 105～109g/cm3 1014 ～1015 g/cm3 1016 g/cm3
发出辐射 光谱A 强的X射线 强的X射线
有人根据物质世界的对称性，由理论引申出“白洞”概念，认为白洞也有一个视界，与黑洞相反，所有物资和能量都不能进入视界，而只能从视界内部逃逸出来，白洞是宇宙中的喷射源。大爆炸宇宙论（将在第12章介绍）描述了我们现在所观测到的宇宙中的所有行星、恒星、星系、甚至原子核和夸克，都是源于137亿年前的一个物质的奇点（在广义相对论中，奇点是时空的一个区域，是著名科学家霍金提出来的），这个奇点就很符合白洞所描述的概念，但该理论目前还不成熟。 |
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发表于 2011-5-16 21:22:57
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