新人教版选修1：1.3-恒星的一生和宇宙的演化(新人教版)课件

1.3-恒星的一生和宇宙的演化恒星的一生和宇宙的演化1.3-恒星的一生和宇宙的演化本节知识补充恒星形成的条件 恒星通常是在星际气体中诞生的。在宇宙中，当恒星通常是在星际气体中诞生的。在宇宙中，当星际气体的密度增加到一定程度时，由于其内部引星际气体的密度增加到一定程度时，由于其内部引力的增长大于气体压力的增长，这团气体云就开始力的增长大于气体压力的增长，这团气体云就开始收缩。这样的倾向一开始，其自身引力使巨量物质收缩。这样的倾向一开始，其自身引力使巨量物质的密度普遍增大。巨大质量的星际物质开始变得不的密度普遍增大。巨大质量的星际物质开始变得不稳定。这些巨量的星际气体与尘埃坍缩进行得越来稳定。这些巨量的星际气体与尘埃坍缩进行得越来越迅猛，开始分裂形成较小的云团，密度也增大了越迅猛，开始分裂形成较小的云团，密度也增大了许多。这些较小的云团最终将各自成为一颗恒星。许多。这些较小的云团最终将各自成为一颗恒星。本节知识补充恒星形成的条件恒星形成的条件如果有一团星际气体超过通常的星际物质（每立方如果有一团星际气体超过通常的星际物质（每立方厘米一个氢原子）的密度，达到每立方厘米六万个厘米一个氢原子）的密度，达到每立方厘米六万个氢原子。经历几十万年后，其中心区的密度逐渐变氢原子。经历几十万年后，其中心区的密度逐渐变大，核心开始升温，随着温度的上升，压力开始变大，核心开始升温，随着温度的上升，压力开始变大，坍缩逐渐停止。外部物质不断落到内部的小核大，坍缩逐渐停止。外部物质不断落到内部的小核上，它带来的能量在物质撞击到核心上时又成为辐上，它带来的能量在物质撞击到核心上时又成为辐射而放出。与此同时，核心在不断缩小，并变得越射而放出。与此同时，核心在不断缩小，并变得越来越热。来越热。恒星形成的条件如果有一团星际气体超过通常的星际物质（每立方厘原始恒星的诞生温度达到二千度左右时，氢分子开始分解成为原子。温度达到二千度左右时，氢分子开始分解成为原子。核心开始再度收缩，收缩时释放出的能量将把所有核心开始再度收缩，收缩时释放出的能量将把所有氢分子都分解为原子。这个新生的核心比今天的太氢分子都分解为原子。这个新生的核心比今天的太阳稍大一些，不断向中心落下的外围物质最终都要阳稍大一些，不断向中心落下的外围物质最终都要落到这个核心上，一颗质量和太阳一样的恒星就要落到这个核心上，一颗质量和太阳一样的恒星就要诞生了。诞生了。人们将这时的天体称为人们将这时的天体称为“原恒星原恒星”，它的辐射消，它的辐射消耗主要由下落到它上面的物质的能量来补充。其余耗主要由下落到它上面的物质的能量来补充。其余的云团物质还在不断向它落下，密度还在不断增大，的云团物质还在不断向它落下，密度还在不断增大，内部温度也在上升。直至中心温度达到一千万度发内部温度也在上升。直至中心温度达到一千万度发生聚变。一颗原始的恒星诞生了。生聚变。一颗原始的恒星诞生了。原始恒星的诞生温度达到二千度左右时，氢分子开始分解成为原子。主序星 恒星是在氢分子云的中心产生的，因而主要由氢恒星是在氢分子云的中心产生的，因而主要由氢组成。高温使氢里面的质子和电子分离，四个质子组成。高温使氢里面的质子和电子分离，四个质子聚合，就成为一个氦核。氦核的质量小于它赖以形聚合，就成为一个氦核。氦核的质量小于它赖以形成的四个质子质量之和。这个质量差只是总质量的成的四个质子质量之和。这个质量差只是总质量的千分之七，但是这一点质量损失转化成了巨大的能千分之七，但是这一点质量损失转化成了巨大的能量。像太阳那样的恒星有一个巨大的核，在那里每量。像太阳那样的恒星有一个巨大的核，在那里每秒钟有六亿吨氢变成氦。巨大的核能量朝向恒星外秒钟有六亿吨氢变成氦。巨大的核能量朝向恒星外部猛烈冲击就能阻止引力收缩。部猛烈冲击就能阻止引力收缩。主序星恒星是在氢分子云的中心产生的，因而主要由氢组成。高红巨星的形成一旦燃料用光，热核反应的速率立即剧减，引力与辐射压之间的平衡被打破了，引力占据了上风。有着氦核和氢外壳的恒星，在自身的重力下开始收缩，压强、密度和温度都随之升高，于是恒星外层尚未动用过的氢开始燃烧，外壳开始膨胀，而核心在收缩。红巨星的形成一旦燃料用光，热核反应的速率立即剧减，引力与辐射红巨星红巨星红巨星在迅速膨胀时，红巨星在迅速膨胀时，发出的光越来越偏红。发出的光越来越偏红。它极为明亮，肉眼看到它极为明亮，肉眼看到的最亮的星中，许多都的最亮的星中，许多都是红巨星。红是红巨星。红巨星的巨星的体体积积很大，它的半很大，它的半径径一般一般比太比太阳阳大大100100倍倍。红巨星红巨星在迅速膨胀时，发出的光越来越偏红。它极为明亮，肉红巨星 在大约一亿度的高温下，恒星核心的氦原子核聚变成为碳在大约一亿度的高温下，恒星核心的氦原子核聚变成为碳原子核。每三个氦核聚变成一个碳核，碳核再捕获另外的氦原子核。每三个氦核聚变成一个碳核，碳核再捕获另外的氦核而形成氧核。这些新反应的速度与缓慢的氢聚变完全不同。核而形成氧核。这些新反应的速度与缓慢的氢聚变完全不同。它们像闪电一样快地突然起爆（氦闪耀）。经历约一百万年它们像闪电一样快地突然起爆（氦闪耀）。经历约一百万年后，核能量的外流渐趋稳定。此后的几亿年里，恒星处于暂后，核能量的外流渐趋稳定。此后的几亿年里，恒星处于暂时的平稳，核区的氦在渐渐消耗，氢的燃烧越来越向更外层时的平稳，核区的氦在渐渐消耗，氢的燃烧越来越向更外层推进。这时的恒星将膨胀得极大，以使自己的结构适应于光推进。这时的恒星将膨胀得极大，以使自己的结构适应于光度的增大。它的体积将增大十亿倍。这个过程中恒星的颜色度的增大。它的体积将增大十亿倍。这个过程中恒星的颜色会改变，因为其外层与高温的核心区相距很远，温度就低了会改变，因为其外层与高温的核心区相距很远，温度就低了下来。这种状态的恒星称为红巨星。下来。这种状态的恒星称为红巨星。红巨星在大约一亿度的高温下，恒星核心的氦原子核聚变成为碳红巨星 红巨星时期的恒星表面温度相对很低，但极为明红巨星时期的恒星表面温度相对很低，但极为明亮，因为它们的体积非常巨大。肉眼能看到的最亮亮，因为它们的体积非常巨大。肉眼能看到的最亮的星中有许多就是红巨星，如参宿四、毕宿五、大的星中有许多就是红巨星，如参宿四、毕宿五、大角、心宿二等。我们的太阳在五十亿或六十亿年后角、心宿二等。我们的太阳在五十亿或六十亿年后也将变成一个红色也将变成一个红色“巨人巨人”。当核心的氢耗完时，。当核心的氢耗完时，太阳就开始膨胀，那时水星将化为蒸汽，金星的大太阳就开始膨胀，那时水星将化为蒸汽，金星的大气将被吹光，地球上的海洋将沸腾。然后太阳还会气将被吹光，地球上的海洋将沸腾。然后太阳还会继续膨胀，并将地球纳入它的势力范围。地球被烧继续膨胀，并将地球纳入它的势力范围。地球被烧焦的残骸会继续在巨型太阳灼热而极稀薄的大气里焦的残骸会继续在巨型太阳灼热而极稀薄的大气里转圈。红巨星外层物质的密度比地球实验室里能得转圈。红巨星外层物质的密度比地球实验室里能得到的最好真空还要低得多。到的最好真空还要低得多。红巨星红巨星时期的恒星表面温度相对很低，但极为明亮，因为超新星是超新星是恒恒星在死亡前的一次大爆星在死亡前的一次大爆发发，所所释释放的能量，放的能量，发发出的亮光相出的亮光相当于当于十十亿颗亿颗太太阳。爆炸将阳。爆炸将星球物星球物质质以接近光速的速度，向以接近光速的速度，向四面八方四面八方发发射。每一射。每一颗恒颗恒星一生之中最多星一生之中最多只只可能可能发发生一次。生一次。超超新新星星超新星是恒星在死亡前的一次大爆发，所释放的能量，发出的亮白矮星在恒星大膨胀成为红巨星，热核反应速率也不可逆转地衰减之后，恒星吹出气体并收缩到地球那样大小，即几千公里直径。物质的浓缩使得星体表面温度大为升高，以至真正成为白热。小尺度和高表面温度这两个特征，使这种星得名为白矮星。白矮星在恒星大膨胀成为红巨星，热核反应速率也不可逆转地衰减之 白矮星的体积小、亮度低，但白矮星的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。它的密度在质量大、密度极高。它的密度在10001000万吨万吨/米米3 3左右。左右。白矮星是一白矮星是一颗颗已死亡的已死亡的恒恒星星，中中心的心的热热核反核反应应已停止已停止 。白矮星白矮星白矮星的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。它黑矮星 白矮星是中等质量恒星演化的终点，在银河系中随处可见。白矮星是中等质量恒星演化的终点，在银河系中随处可见。它的质量越大，半径就越小。由于没有热核反应来提供能量，它的质量越大，半径就越小。由于没有热核反应来提供能量，白矮星在发出辐射的同时，也以同样的速率冷却。但是，白白矮星在发出辐射的同时，也以同样的速率冷却。但是，白矮星本性节俭，它在形成后要经过数十亿年的冷却时间。白矮星本性节俭，它在形成后要经过数十亿年的冷却时间。白矮星的变暗过程是如此之慢，自一百五十亿年前宇宙创生和矮星的变暗过程是如此之慢，自一百五十亿年前宇宙创生和第一批恒星出现以来，恐怕还没有一个黑矮星形成，这里需第一批恒星出现以来，恐怕还没有一个黑矮星形成，这里需要极大的耐心。太阳正处在其主序阶段的中点，还要经过五要极大的耐心。太阳正处在其主序阶段的中点，还要经过五十亿年才到行星状星云那样的十亿年才到行星状星云那样的“高龄高龄”，它将再短暂地活跃，它将再短暂地活跃十万年，然后成为一颗白矮星并在一百亿年中缓慢地死去，十万年，然后成为一颗白矮星并在一百亿年中缓慢地死去，最后作为一颗黑矮星而永存。最后作为一颗黑矮星而永存。黑矮星白矮星是中等质量恒星演化的终点，在银河系中随处可见。它红超巨星 铁是大质量恒星核心的最后灰烬。与此同时恒星还不断地膨胀其外壳以调节平衡，它会膨胀到一个异常巨大的尺度，成为红超巨星。红超巨星是宇宙中最大的恒星。如果把这样一个星放在太阳系中心，它将吞没包括远在五十亿公里外的冥王星在内的所有行星。红超巨星铁是大质量恒星核心的最后灰烬。与此同时恒星还不断中子星恒星核心的平衡发生了前所未有的急剧变化，越来越不能抵挡无情的重压，温度持续上升，直到氦核本身也蜕变为其基本成分：质子、中子和电子。在高温下电子变得更不能阻挡压缩力，在零点一秒内，它们被挤压到与质子结合在一起。二者的电荷相中和，变成为中子，同时迸发出巨大的中微子流。中子星恒星核心的平衡发生了前所未有的急剧变化，越来越不能抵挡中子星当恒星的密度达到每立方厘米十的十四次方克，相当于在一只缝纫顶针里有一亿吨的质量。恒星核里再没有任何“真空”留下，恒星核就成了一种主要由中子组成的巨大原子核，这种远比白矮星紧密的新的物质简并态，就叫做中子星。中子星质量约是质量约是太太阳阳4 41010倍的倍的恒恒星在超新星爆星在超新星爆炸的炸的过过程，程，遗遗留下留下来来的核心的核心变变成一成一颗体积颗体积很很小，小，质量却质量却很大的中子星，由中子很大的中子星，由中子构构成，密成，密度度为为水的水的10101414倍，倍，仅仅1cm1cm3 3的的质质量就有全球人量就有全球人类类那那么么重，重，直径仅为直径仅为30km30km。中子星中子星质量约是太阳410倍的恒星在超新星爆炸的过程，遗留下来黑洞在某些质量远大于太阳的恒星的已简并 的核心，继续发生着坍缩，但最终形成 的并不是中子星，而是黑洞。黑洞黑洞没有东西能从黑洞逃逸，包括光线在内。黑洞可从大质量恒星的死亡中产生。一颗大质量恒星坍缩后，当其引力大得无任何其他排斥力能与之相对抗时，恒星被压成了一个称为“奇点”的孤立点。奇点是黑洞的中心，在它周围引力极强。黑洞没有东西能从黑洞逃逸，包括光线在内。黑洞可黑洞黑洞质质量比太量比太阳阳大大8 8倍以上的倍以上的恒恒星，超新星爆炸星，超新星爆炸后会后会形形成成“黑洞黑洞”。黑洞。黑洞会会把附近所有的物把附近所有的物质质都吸都吸进进去，就去，就连连光线光线也也会会被吞被吞没没，所以我，所以我们们是看不是看不见见黑洞的。但是如果黑洞的。但是如果黑洞附近有另外一黑洞附近有另外一颗恒颗恒星，我星，我们们可以可以从这颗邻从这颗邻近近恒恒星的星的物物质被质被吸入黑洞吸入黑洞时时的情形，的情形，证证明黑洞的存在。明黑洞的存在。黑洞质量比太阳大8倍以上的恒星，超新星爆炸后会形成“黑洞恒星的一生恒星的一生星际气体星际气体收缩形成收缩形成中子星中子星黑洞黑洞主序星主序星原恒星原恒星主序星主序星太阳太阳红巨星红巨星白矮星白矮星暗矮星暗矮星大恒星大恒星超红巨星超红巨星超新星超新星恒星的一生星际气体收缩形成中子星主序星原恒新人教版选修1：1银河系我们肉眼看见的所有恒星，以及许许多多因为我们肉眼看见的所有恒星，以及许许多多因为太暗而肉眼看不见的恒星，还包括我们的太阳和太太暗而肉眼看不见的恒星，还包括我们的太阳和太阳系在内，都属于一个巨大的恒星系统，即阳系在内，都属于一个巨大的恒星系统，即银河系银河系银河系银河系。银河系中还包括许多星团、星际介质和星云。银河系中还包括许多星团、星际介质和星云。银河是由许多遥远的恒星组成的，表明了银河系银河是由许多遥远的恒星组成的，表明了银河系的恒星在这一带非常密集。在银河中还可以看到许的恒星在这一带非常密集。在银河中还可以看到许多暗带，说明在银河的方向上有大量的星际介质和多暗带，说明在银河的方向上有大量的星际介质和暗星云存在暗星云存在银河系我们肉眼看见的所有恒星，以及许许多银河系银银河河系系有有一一个个扁扁平平的的盘盘，称称为为银银盘盘。银银盘盘中中恒恒星星很很密密集集，还还有有各各种种星星际际介介质质和和星星云云及及星星团团。银银盘盘的的直直径径有有1010多多万万光光年年，厚厚度度只只有有几几千千光光年年。我我们们看看到到的的银银河河，就就是是银银盘盘中中遥遥远远的的恒恒星星密密集集在在一一起起形形成成的的。银银盘盘一一个个非非常常引引人人注注目目的的结结构构是是有有漩漩涡涡状状的的旋旋臂臂，因此银河系属于漩涡星系。因此银河系属于漩涡星系。银河系出了核球和银盘以外，还有一个很大的晕，银河系出了核球和银盘以外，还有一个很大的晕，称为银晕。银晕中的恒星很稀少，还有为数不多的称为银晕。银晕中的恒星很稀少，还有为数不多的球状星团。银晕的半径可能伸展到球状星团。银晕的半径可能伸展到3030万光年之远。万光年之远。银河系银河系有一个扁平的盘，称为银盘。银盘中恒星很密集，还有河外星系由于万有引力的影响，巨大的星系往往会聚集在一起，成群出现，构成星系群星系群或星系团。绝大部分星系(至少85%以上)都是出现在星系团中的。我们把星系数在100以内的称为星系群，而多于100的我们就称为星系团。这些星系在空间分布上也会三五成群，形成群落，这就是所谓的超星系团了。河外星系由于万有引力的影响，巨大的星系往往会聚集在一起，成群思考：在漫无边际的宇宙空间，无数的星系和星系团之间会怎样组合呢？思考：一般认为，我们现在所知的宇宙从整体上看是泡沫状的。宇宙是没有中心的，其间的物质分布也大致均匀新人教版选修1：1发现发现1、所有的星系都在、所有的星系都在远离远离我们而去。我们而去。发现发现3、星系间的距离在不断地、星系间的距离在不断地扩大扩大难道地球是宇宙的中心？难道地球是宇宙的中心？发现发现发现发现2 2、星系离我们越远，运动的速度越、星系离我们越远，运动的速度越、星系离我们越远，运动的速度越、星系离我们越远，运动的速度越快快快快；发现1、所有的星系都在远离我们而去。发现3、星系间的距霍金 史蒂芬史蒂芬霍金，广泛尊崇为继爱因斯坦之后霍金，广泛尊崇为继爱因斯坦之后最杰出的科学家。黑洞理论和最杰出的科学家。黑洞理论和“大爆炸大爆炸”理理论的创立人，著名的论的创立人，著名的时间简史时间简史的作者。的作者。17岁的霍金患病后只能永远坐在轮椅上并且岁的霍金患病后只能永远坐在轮椅上并且失去了语言能力，这位全身只有三个手指能失去了语言能力，这位全身只有三个手指能动的残疾人，却依靠惊人的毅力完成了一系动的残疾人，却依靠惊人的毅力完成了一系列惊人的关于大爆炸和黑洞的理论。列惊人的关于大爆炸和黑洞的理论。霍金史蒂芬霍金，广泛尊崇为继爱因斯坦之后最杰出的大爆炸理论主要观点大爆炸理论主要观点 大约大约150亿年亿年前，前，我们所处的我们所处的宇宙宇宙全部以全部以粒子的形式、粒子的形式、极极高高的的温度温度、极极大大的的密度，密度，被被挤压在一个挤压在一个“原始火球原始火球”中。中。大爆炸使物质四散出击，宇宙空间不断大爆炸使物质四散出击，宇宙空间不断膨胀膨胀，温度也相应温度也相应下降下降，后来相继出现在宇宙中的，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命。所有星系、恒星、行星乃至生命。大爆炸理论主要观点大约150亿年前，我们所处的宇宙全部大胆猜测：宇宙的将来大胆猜测：宇宙的将来永远膨胀下去，永远膨胀下去，不断地扩大，我们将看不断地扩大，我们将看到所有星系的星球老化、死亡，剩下我到所有星系的星球老化、死亡，剩下我们孤零零的，在一片黑暗当中。们孤零零的，在一片黑暗当中。或者会塌缩而在大挤压处终结或者会塌缩而在大挤压处终结大胆猜测：宇宙的将来永远膨胀下去，不断地扩大，我们将看到所有新人教版选修1：1