高中地球科学/恒星

当你在一个晴朗的夜晚仰望星空时，你可以看到数十甚至数百个微小的光点。几乎每一个光点都是一颗恒星，一个非常非常高温的发光气体球。有些恒星比我们的太阳小，有些则比它大。除了我们自己的太阳，所有恒星都离我们太远了，即使通过望远镜，它们也看起来像单一的点。

课程目标

定义星座。
描述恒星中能量的流动。
根据恒星的属性对其进行分类。
概述恒星的生命周期。
使用光年作为距离单位。

星座

几个世纪以来，人们一直看到你可以在夜空中看到的相同的恒星。许多不同文化的人们已经识别出星座，它们是天空中恒星的明显模式。图 26.1 显示了最容易识别的星座之一。古希腊人认为这群恒星看起来像他们神话中的一位猎人，所以他们以他的名字命名它为猎户座。图中中心的三个恒星是“猎户座腰带”。

星座以及星团或星群中的图案被称为星群，它们每晚都保持不变。然而，在一个晚上，恒星在夜空中移动，保持着相同的图案。恒星的这种明显的夜间运动实际上是由于地球绕其轴自转造成的。不是恒星在移动；实际上是地球自转使得恒星看起来在移动。随着季节的变化，图案也略有变化，因为地球绕太阳公转。因此，你在冬天看到的星座与你在夏天看到的不同。例如，猎户座是冬季天空中一个突出的星座，但不是夏季天空中。

视距离与实际距离

虽然星座中的恒星在我们眼中看起来很靠近，但它们通常离我们有很大的距离，因此它们在太空中并不靠近。例如，在猎户座中，肉眼可见的恒星距离我们从只有 26 光年（相对接近地球）到数千光年不等。光年是光在一年的时间内传播的距离；它是一个用来测量太空物体之间距离的大单位。

恒星的能量

只有一小部分太阳光到达地球；然而，这些光足以使整个星球保持温暖，并为地球上的所有生物提供能量。太阳是一颗相当普通的恒星。太阳看起来比其他任何恒星都大得多、亮得多，是因为它离我们很近。其他一些恒星产生的能量比太阳多得多。恒星是如何产生如此多的能量的呢？

核聚变

恒星主要由氢和氦组成。这两种都是非常轻的气体。然而，一颗恒星中存在如此多的氢和氦，这些气体的重量是巨大的。在恒星的中心，压力足够大，足以加热气体并引起核聚变反应。在核聚变反应中，两个原子的原子核或中心结合在一起，并从两个原始原子创建一个新原子。在恒星的核心，最常见的反应是将两个氢原子变成一个氦原子。核聚变反应需要大量的能量才能启动，但一旦启动，它们就会产生更多的能量。

来自恒星核心核反应的能量向外推动，平衡了恒星中所有气体向内的引力。这种能量缓慢地向外穿过恒星的各层，直到最终到达恒星的外表面。恒星的外层会发出耀眼的光芒，将能量以电磁辐射的形式释放到太空中，包括可见光、热量、紫外线和无线电波。

科学家已经建造了名为加速器的机器，可以推动亚原子粒子，直到它们达到与恒星核心相同的能量。当这些粒子正面碰撞时，就会产生新的粒子。这个过程模拟了恒星核心发生的核聚变。它还模拟了当宇宙只有几分钟大时，两个氢原子碰撞产生第一个氦原子的条件。两个著名的加速器是美国的 SLAC 和瑞士的 CERN。

如何对恒星进行分类

恒星有许多不同的颜色。如果你观察猎户座中的恒星（如图 26.1 所示），你会注意到左上角有一颗明亮的红星，右下角有一颗明亮的蓝星。这颗红星名为参宿四（发音为 BET-ul-juice），这颗蓝星名为参宿七。

颜色和温度

如果你观察一块金属，比如电炉的线圈，当它被加热时，你可以看到颜色与温度的关系。当你第一次打开加热开关时，线圈看起来是黑色的，但你可以感觉到离线圈几英寸的手感受到的热量。随着线圈变得越来越热，它开始发出暗红色。随着它变得越来越热，它会变成更亮的红色，然后是橙色。如果它变得非常热，它可能会看起来是黄白色，甚至蓝白色。就像炉子上的线圈一样，恒星的颜色由恒星表面的温度决定。相对较冷的恒星是红色的，较热的恒星是橙色的或黄色的，极热的恒星是蓝色的或蓝白色的。

对恒星进行分类最常用的方法是按颜色分类。表 26.1 显示了这种分类系统的运作方式。恒星的类别用字母表示。每个字母对应于一种颜色，以及一个温度范围。请注意，这些字母与颜色名称不匹配；它们来自一个不再使用的旧系统。

表 26.1：按颜色和温度对恒星进行分类
类别	颜色	温度范围	示例恒星
O	蓝色	30,000 K 或更高	蛇夫座 ζ 星
B	蓝白色	10,000-30,000 K	参宿七
A	白色	7,500-10,000 K	牛郎星
F	淡黄色	6,000-7,500 K	南河三 A 星
G	黄色	5,500-6,000 K	太阳
K	橙色	3,500-5,000 K	印第安座ε
M	红色	2,000-3,500 K	参宿四，比邻星

对于大多数恒星来说，表面温度也与其大小有关。较大的恒星会产生更多的能量，因此它们的表面温度更高。图 26.2 展示了每类恒星的典型代表，颜色与您在夜空中看到的颜色大致相同。

恒星的寿命

为了描述恒星发展过程中的各个阶段，我们可以说恒星会诞生、成长、随着时间的推移发生变化，最终走向死亡。大多数恒星在其生命历程中至少会经历一次大小、颜色和类别的变化。

恒星的形成

恒星诞生于被称为星云的气体和尘埃云中，如图 26.3 所示。在图 26.1 中，穿过猎户座的中央三颗恒星下方模糊区域，通常被称为猎户座的剑，包含另一个星云，被称为猎户座星云。

主序星

在恒星生命的大部分时间里，核心中的核聚变将氢原子结合在一起形成氦原子。处于这一阶段的恒星被称为主序星，或位于主序星上。这个术语来自赫茨普龙-罗素图，该图将恒星的表面温度与其真实亮度或星等绘制在一起。对于主序星来说，温度越高，亮度也越高。恒星在主序星上停留的时间长短取决于恒星能够平衡向内的重力以及核心发生的核聚变所提供的向外力的时间长短。质量更大的恒星核心压力更高，因此它们需要燃烧更多的氢“燃料”来防止引力坍缩。因此，质量更大的恒星温度更高，并且比质量更小的恒星更早地耗尽氢气。

我们的太阳是一颗中等大小的恒星，已经是一颗主序星大约 50 亿年了。它将继续发光大约 50 亿年，而不会发生任何变化。非常大的恒星可能只在主序星上停留大约 1000 万年。非常小的恒星可能在主序星上停留数十亿甚至数百亿年。

红巨星和白矮星

当恒星开始耗尽氢气时，它就开始将氦原子融合在一起形成更重的原子，如碳。最终，恒星中可供融合的轻元素会越来越少。恒星再也无法抵御引力，开始向内坍缩。与此同时，外层会向外扩散并冷却。恒星变得更大，但表面更冷，呈红色。处于这一阶段的恒星被称为红巨星。

最终，红巨星会燃烧掉核心中的所有氦。接下来会发生什么取决于恒星的质量。像太阳这样的典型恒星，此时会完全停止核聚变。引力坍缩将恒星的核心压缩成一个大小与地球相当的白热物体。处于这一阶段的恒星被称为白矮星。最终，白矮星会冷却下来，它的光线会逐渐消失。

超巨星和超新星

质量远大于太阳的恒星将以更戏剧性的方式结束其生命。当质量非常大的恒星离开主序星时，它们会变成红超巨星。猎户座中的红星参宿四是一颗红超巨星。

与红巨星不同，当红超巨星中所有的氦都耗尽时，核聚变不会停止。恒星会继续将原子融合成更重的原子，直到最终其核聚变反应产生铁原子。通过核聚变产生比铁更重的元素需要比它产生的能量更多。因此，恒星通常不会形成任何比铁更重的元素。当恒星耗尽了正在融合的元素时，核心屈服于引力并猛烈坍缩，产生猛烈的爆炸，被称为超新星。超新星爆炸包含如此巨大的能量，以至于其中一些能量实际上可以将重原子融合在一起，产生更重的元素，如金、银和铀。超新星在短时间内可以像整个星系一样明亮，如图 26.4 所示。

**图 26.4**：当非常大的恒星停止核聚变时，它们会以超新星的形式爆炸。像图左下角的明亮超新星一样，可以在短时间内像整个星系一样明亮地闪耀。

中子星和黑洞

一颗大恒星在超新星中爆炸后，核心剩余的物质密度极高。如果核心小于太阳质量的四倍，恒星将成为中子星，如图 26.5 所示。中子星几乎完全由中子构成。尽管它比太阳质量更大，但直径只有几公里。

如果超新星爆炸后剩下的核心大于太阳质量的五倍，核心将坍缩得如此之远，以至于它会变成一个黑洞。黑洞的密度如此之大，以至于连光也无法逃脱其引力。因此，黑洞无法直接观测到。但我们可以通过黑洞对周围物体的影响以及从其边缘泄漏的辐射来识别黑洞。

测量恒星距离

太阳比其他任何恒星都离地球更近。来自太阳的光需要大约 8 分钟才能到达地球。来自第二近的恒星比邻星的光需要超过 4 年才能到达地球。如果乘坐我们今天拥有的类似宇宙飞船前往比邻星，需要数万年才能到达那里。

光年

因为天文距离非常大，所以使用同样大的距离单位会很有帮助。光年定义为光在一年的时间里传播的距离。一光年约为 9,500,000,000,000（9.5 万亿）公里，或 5,900,000,000,000（5.9 万亿）英里。比邻星距离我们 4.22 光年，这意味着它的光需要 4.22 年才能到达我们这里。

一光年大约等于 60,000 个天文单位，4.22 光年大约等于 267,000 个天文单位。回想一下，海王星是距离太阳最远的行星，它距离太阳约 30 个天文单位，我们可以意识到，地球到除太阳以外其他恒星的距离远大于地球到太阳系内其他行星的距离。

视差

那么天文学家如何测量恒星的距离呢？可以使用视差测量距离我们相对较近的恒星的距离。视差是指当观察者位置发生变化时所发生的位置明显变化。

要看一个视差的例子，试着将你的手指放在你眼睛前面大约 1 英尺（30 厘米）处。现在，一边注视着你的手指，一边闭上一只眼睛，然后闭上另一只眼睛。在两只眼睛之间交替，注意你的手指看起来是如何移动的。你的手指位置的变化是一个视差的例子。现在试着将你的手指移近你的眼睛，然后重复实验。你注意到有什么不同吗？你的手指离你的眼睛越近，由于视差而导致的位置变化就越大。

如图 26.6 所示，天文学家使用相同的原理来测量恒星的距离。然而，他们不是看手指，而是看一颗恒星。而且他们不是在两只眼睛之间来回切换，而是使用最大的观察位置差异。为此，他们首先从一个位置观察恒星，并记录恒星相对于更遥远恒星的位置。然后，他们等待 6 个月；在这段时间里，地球绕太阳运行，从其轨道的这边移动到另一边。当他们再次观察恒星时，视差会导致恒星相对于更遥远恒星的位置发生变化。从这种变化的大小，他们可以计算出到恒星的距离。

其他方法

对于距离超过几百光年的恒星，即使使用最精确的仪器，视差也小到无法测量。对于这些更遥远的恒星，天文学家使用更间接的方法来确定距离。大多数这些其他方法涉及确定他们正在观察的恒星的真实亮度。例如，如果该恒星的特性与太阳相似，那么它的亮度应该与太阳大致相同。然后，他们可以将观察到的亮度与预期亮度进行比较。这就像问，“太阳要离我们多远才能看起来这么暗？”

课程总结

星座和星群是天空中星星的明显图案。
同一个星座中的星星通常在太空中并不彼此靠近。
恒星通过其核心中的核聚变反应产生能量。
恒星的颜色由其表面温度决定。
恒星根据颜色和温度分类。最常见的系统使用字母 O（蓝色）、B（蓝白色）、A（白色）、F（淡黄色）、G（黄色）、K（橙色）和 M（红色），从最热到最冷。
恒星由称为星云的气体和尘埃云形成。恒星会坍缩，直到其核心开始核聚变。
恒星在其主序星阶段度过了大部分时间，将氢聚变为氦。
典型的类太阳恒星会膨胀成红巨星，然后逐渐消失成为白矮星。
非常大的恒星会膨胀成红超巨星，在超新星中爆炸，然后最终成为中子星或黑洞。
天文距离可以用光年衡量。光年是指光在一年的时间内传播的距离。1 光年 = 9.5 万亿公里（5.9 万亿英里）。
视差是指当观察者的位置发生变化时物体位置的明显变化。天文学家使用视差来测量相对较近的恒星的距离。

复习题

是什么区别了星云和恒星？
什么类型的反应为恒星提供能量？
哪个表面温度更高：蓝星还是红星？
列出七种主要的恒星类别，从最热到最冷。
当恒星处于主序星阶段时，恒星核心发生的主要反应是什么？
太阳离开主序星阶段后会变成什么类型的恒星？
假设一颗大恒星在超新星中爆炸，留下一个质量是太阳 10 倍的核心。恒星核心会发生什么？
光年的定义是什么？
为什么天文学家不使用视差来测量非常遥远的恒星的距离？

词汇

星群: 一组或一群星星，在天空中看起来彼此靠近。
黑洞: 超巨星在超新星中爆炸后留下的超致密核心。
星座: 夜空中星星的明显图案。
光年: 光在一年的时间内传播的距离；9.5 万亿公里。
主序星: 将氢原子聚变为氦的恒星；处于其“生命”主要部分的恒星。
星云: 星际气体和尘埃云。
中子星: 大质量恒星在超新星中爆炸后留下的残骸。
核聚变反应: 当两个原子的原子核融合在一起时，会释放出巨大的能量。
视差: 天文学家用来计算附近恒星距离的一种方法，使用相对于遥远恒星的明显位移。
红巨星: 恒星发展阶段，内层氦核心收缩，而外层氢层膨胀。
超新星: 当恒星核心主要由铁组成时发生的巨大爆炸。
恒星: 通过核聚变反应产生光的球形发光气体。

注意事项

虽然恒星在星座中看起来可能彼此靠近，但它们通常在太空中并不彼此靠近。你能想到任何在太空中相对靠近的天体群吗？
大多数星云的质量都超过一颗恒星。如果一个大型星云坍缩成几个不同的恒星，结果会怎么样？

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