A 级物理/宇宙学/恒星和星系

宇宙由数百万颗恒星组成，这些恒星被组合在一起形成星系。

NGC 4414，是一个典型的螺旋星系。

恒星

恒星，就像我们的太阳，是巨大的氢聚变反应堆，在数百万年内产生大量的能量。

恒星的诞生

欧米茄星云包含许多年轻的恒星，使其发光。

恒星开始于星际气体云，在那里，粒子通过万有引力相互吸引。这些气体云主要由氢和氦组成，不过较新的恒星将包含来自较老（现在已经死亡）恒星的更重的元素。

随着质量变重，引力越来越强。现在形成了一个原恒星，它是一个局部原子浓度，其大小足以形成一颗恒星，并且开始升温，因为损失的引力势能转化为热动能。

当温度达到约$10^{6}K$时，核心足够热以发生氢聚变。随着时间的推移，恒星会稳定其温度，其中其表面释放的能量速率与其核心产生的能量速率相匹配，并且会稳定其大小，其中热反应的向外压力与其向内的引力相匹配。

现在恒星成为主序星，并将从氢中产生能量数百万年。请注意，由于质量更大的恒星“燃烧”氢的速度快得多，因此它们的寿命远小于质量较小的恒星。

恒星内部的核聚变

恒星主要由氢组成，用于聚变反应，这些反应产生了几乎所有能量。在这个过程中，四个氢核融合形成一个氦核。但是，这不会直接发生，实际上是分阶段发生的

• 两个质子融合形成一个氘核，并释放出一个中微子和一个正电子。

$\ _{1}^{1}H+\ _{1}^{1}H\rightarrow \ _{1}^{2}H+v+\ _{1}^{0}e$

• 氘核与另一个质子融合，产生一个氦-3核。

$\ _{1}^{1}H+\ _{1}^{2}H\rightarrow \ _{2}^{3}He$

• 两个氦-3核融合产生氦-4核。释放了两个质子。

$\ _{2}^{3}He+\ _{2}^{3}He\rightarrow \ _{2}^{4}He+2_{1}^{1}H$

释放的能量

释放的能量可以通过$E=mc^{2}$计算，其中$m$是质量亏损，即子核与母核之间的质量差。在聚变的情况下，母核的总质量总是大于子核的总质量。

红巨星

当一颗恒星中大部分的氢都耗尽时，它将无法维持平衡。氦核将收缩，氢燃烧将在围绕核心的一层壳中继续。由于核心收缩时引力势能损失，热动能将增加。这种增加导致恒星本身膨胀。恒星不再是主序星，而是红巨星。

红巨星内部的氦燃烧

由于红巨星核心温度升高，当温度达到约1亿开尔文时，将发生“氦燃烧”。与“氢燃烧”一样，“氦燃烧”也分阶段进行。

• 两个氦原子核融合形成一个铍原子核。

$2He\rightarrow Be$

• 另一个氦原子核与铍原子核融合，产生一个碳原子核和一个伽马光子。

$Be+He\rightarrow C+\gamma$

• 另一个氦原子核与碳原子核融合，形成一个氧原子核和另一个伽马光子。

$C+He\rightarrow O+\gamma$

红巨星中的进一步聚变反应

质量大于太阳质量三倍的更重的红巨星可以达到更高的温度，从而发生更重元素的聚变。

• 在6亿开尔文时，发生“碳燃烧”，产生氖和镁原子核。
• 在10亿开尔文时，发生“氖燃烧”，产生氧和镁原子核。
• 在15亿开尔文时，发生“氧燃烧”，产生硅原子核。
• 在30亿开尔文时，发生“硅燃烧”，产生铁原子核。

在铁之后，核聚变不再产生能量，因此热核反应停止。比铁重的元素是在超新星中产生的，因为它们需要周围环境的能量输入，而较轻元素的聚变则不需要。

恒星的死亡

当核心温度过低，无法开始下一个热核反应时，恒星将变得不稳定。恒星生命周期的下一步取决于钱德拉塞卡极限，它等于太阳质量的1.4倍。

质量小于钱德拉塞卡极限的恒星

NGC 6543，也被称为猫眼星云

当恒星变得不稳定时，它会抛射出外层的气体，形成行星状星云（之所以这样命名是因为它们曾经被认为类似于行星，但它们与行星没有任何关系）。核心本身会收缩并变得更加致密，密度会大到一茶匙的质量就有好几吨。当紧密排列的电子的费米压阻止进一步的坍缩时，核心将停止收缩。这个致密但暗淡的恒星现在变成了白矮星。核心不再有能量，白矮星将逐渐辐射掉所有能量并冷却下来，最终达到周围空间的相同温度。此时它被称为“黑矮星”。人们认为宇宙的年龄足够让白矮星形成并冷却成黑矮星，尽管尚未发现任何黑矮星。

质量大于钱德拉塞卡极限的恒星

蟹状星云是超新星爆炸的残骸。

对于质量大于1.4个太阳质量的恒星，电子的费米压过弱，无法阻止引力坍缩。在几秒钟内，电子被压碎在质子上形成中子，核心现在具有巨大的压力，因此具有非常高的温度。在这次坍缩过程中产生了原子序数高于铁的元素。当核心坍缩突然停止时，由于巨大的向外压力会导致爆炸。这种爆炸被称为超新星。剩余的尘埃云最终可能形成一群新的恒星。

中子星

超新星内部的剩余核心完全由中子组成，因为电子已被迫进入原子核。它们的密度如此之大，以至于地球在相同密度下直径只有几百米。这个剩余的核心被称为中子星，因为它完全由中子构成。

脉冲星

大多数恒星都有自己的角速度，即旋转速度。当恒星快速缩小时，由于角动量守恒，它会旋转得更快。这类似于滑冰者将手臂靠近身体时，可以旋转得更快。通常，这就是超新星核心收缩形成中子星时的现象。旋转速度大幅增加，导致脉冲星的形成。之所以这样称呼是因为我们在地球上检测到它们是规则的无线电脉冲，周期有时在毫秒范围内。这些脉冲的规律性和短周期让科学家们相信外星人正在试图与我们交流，尽管现在已知这些脉冲来自旋转中子星的磁场。

像所有恒星一样，脉冲星也有自己的磁场。随着恒星旋转速度的增加，周围的磁场强度也会增加。移动的磁场会产生强烈的电场。这种强烈的电场会加速电子，并在两个磁极产生强烈的辐射束。由于磁北极和旋转轴并不完全对齐，就像在地球上一样，辐射束有可能穿过地球并到达我们，产生我们观察到的辐射脉冲。

黑洞

黑洞无法直接观测，而是使用电磁频谱来观察其影响，例如这个模拟图像中显示的来自遥远星系的光线弯曲。2016年，一对位于美国的引力波探测器（每个长一公里）直接探测到一对合并的黑洞。

如果一颗中子星的质量大于约3个太阳质量，它将进一步坍缩成一个无限小的点，称为奇点，并且密度将变得无限大。奇点几公里处的引力场强度如此之大，甚至光也无法逃逸，恒星现在变成了黑洞（尽管光子没有质量，但光仍然受到引力的影响，这可以用爱因斯坦的广义相对论来解释）。由于没有任何东西比光速更快（同样由相对论解释），所以任何落入黑洞的东西都将永远消失。

类星体

类星体是辐射源，非常明亮，比许多星系都亮。它们的亮度会随着几天或几个月的时间周期发生变化，因为一个物体不可能比光从一端到另一端所需的时间更快地改变亮度，所以人们认为它们是相对较小的物体，直径只有几天或几个月的光年。类星体的红移表明它们距离非常遥远，远至 180 亿光年，对它们的唯一解释是它们是由物质落入黑洞时发出的辐射，因为物质的引力势能损失了。

测量到恒星的距离

为了测量恒星到地球的距离，人们设计了几种方法。

视差

我们可以测量一颗恒星在它在地球轨道上的两个极端位置时，在遥远恒星背景上运动时所产生的视差角。我们假设遥远的恒星是静止的。该图显示了恒星视差的含义。

从这个角度，我们可以用以下公式找到距离（以秒差距表示）

${\text{distance}}={\frac {1}{\text{parallax}}}$.

因此，视差角越小，恒星离地球越远，当一颗恒星的视差为 1 角秒（${\frac {1}{3600}}th$ 度）时，我们说它距离我们 1 秒差距。1 秒差距大约等于 $3\times 10^{16}$ 米，或 3.26 光年。

光强

曾经人们认为所有恒星的亮度都完全相同，但有些恒星看起来比其他恒星暗淡，因为它们距离更远。我们现在知道恒星的亮度会因恒星而异，但星等系统仍然被使用。

视星等

可见恒星被分成 6 类，根据它们的感知亮度。最亮的恒星被归类为 1 等星，而肉眼可见的最暗的恒星被归类为 6 等星。后来发现星等的差异实际上代表了光强的 2.5 倍，因为人眼的视觉工作在对数尺度上。这意味着 1 等星比 6 等星的光强 $2.5^{5}=100$ 倍。可以通过两颗恒星的视星等找到它们的光强比

${\frac {I_{1}}{I_{2}}}=2.5^{m_{2}-m_{1}}$

如今，借助望远镜，我们可以测量视星等大约在 +25 到 -25 之间的恒星，其中越小越亮。我们使用以下公式从测量到的光强值计算它

$m=-2.5\log \ I+constant$

其中 m 是视星等，I 是光强。

绝对星等

恒星的视星等不会告诉我们它的真实光强，只告诉我们到达我们眼睛的光强。这意味着一颗非常遥远的恒星可能比一颗更近的恒星更明亮，但它看起来从地球上看更暗淡。恒星的绝对星等是指它如果位于 10 秒差距的距离上时的视星等。绝对星等由以下公式给出

$M=m-5\log({\frac {d}{10}})$

其中 d 是恒星的距离（以秒差距表示）。

银河系

银河系是一个螺旋星系。太阳位于其中一条旋臂的末端。

我们所在的星系被称为银河系。它是一个螺旋星系，厚度很薄，但像透镜一样。它的半径为 100,000 光年，厚度约为 2000 光年，使其轮廓有点像 CD。在它的中心是一个巨大的古老恒星球，称为银河核球，其中心是一个超大质量黑洞。银河系包含 200 到 400 亿颗恒星，以及估计有 2 万亿颗行星。银河系有许多旋臂（2 到 6 个，确切数量尚不清楚），这些旋臂是恒星形成的区域。