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天文学导论-作业6

约 1541 个字 预计阅读时间 5 分钟

哈佛分类恒星观测特征及物理成因

哈佛分类（Harvard Spectral Classification）是根据恒星光谱中的吸收特征来划分恒星的一种分类方法，主要基于对恒星温度敏感的谱线。根据老师上课讲到的内容和我搜索到的内容，哈佛分类的恒星观测特征及其物理成因是：

  • O型星：蓝白色，表面温度超过28,000K，具有HeII、HeI、HI吸收线和强紫外连续谱。
  • B型星：蓝白色，表面温度在10,000到28,000K之间，HeII线消失，HeI线在B2型最强，H线从B0到B9逐渐增强。
  • A型星：H吸收线在A0达到最强，然后强度开始下降，CaII线从A0到A9逐渐增强。
  • F型星：黄白色，表面温度在6,000到7,500K之间，H线较弱，但是拥有很强的CaII线，Fe和其他金属元素的线开始出现。
  • G型星：黄色，表面温度在5,000到6,000K之间，CaII线非常强，Fe和其他金属元素的线也开始增强，H线较弱。太阳就属于此类（G2型，表面温度约5780K）。
  • K型星：橙色，表面温度在3,500到5,000K之间，拥有各种中性金属线，分子带（CH和CN）出现，蓝色谱段很弱。
  • M型星：红色，表面温度低于3,500K，由分子带主导，中性金属线显著。

而矮褐星（L，T型星）由于质量太小，以至于内部核反应还未启动，严格地说不是一般意义上的恒星，由于近年来巡天发现大量这类天体，故引入新的分类。

核聚变

主要的核聚变过程有：

  1. 质子-质子链反应（P-P链）：

    • 这是太阳和其他质量较小的恒星（如质量小于1.5倍太阳质量的恒星）的主要核聚变过程，温度需要大于700万开尔文。
    • 主要产物为氦原子核。

  2. 碳-氮-氧循环（CNO循环）：

    • 这是质量较大的恒星（如质量大于1.5倍太阳质量的恒星）的主要核聚变过程。
    • 过程需要较高的核心温度（约1500万开尔文）来克服库仑排斥力。
    • 碳、氮、氧作为催化剂参与反应，帮助氢原子核融合成氦原子核。
    • 碳-12捕获一个质子变成氮-13，然后氮-13衰变成碳-13，最后碳-13捕获一个质子变成氮-14，氮-14捕获一个质子变成氧-15，氧-15再衰变成氮-15，最后氮-15捕获一个质子变成氦-4原子核和碳-12，完成循环。

  3. 氦燃烧（融合）：

    • 当恒星核心的氢燃料耗尽后，核心开始收缩并加热，最终达到足够高的温度（约1亿开尔文）来启动氦融合。
    • 氦燃烧的主要过程是3个氦原子核（α粒子）融合成碳原子核，这个过程称为3氦过程。
    • 3氦过程可以进一步生成氧、氖、镁等更重的元素。

  4. 碳和氧燃烧：

    • 碳和骇生成氧，再进一步生成氖。
    • 这个过程可以持续进行，生成更重的元素，直到生成硅和硫。

太阳中主要通过质子-质子链(P-P链)的形式进行。

质能方程计算

总能量

由老师上课讲到的可以知道，太阳质量为\(M_{\odot}=1.99\times 10^{33} g=1.99\times 10^{30} kg\)，则由质能方程可得\(E=mc^2=0.007\times0.1\times 1.99\times 10^{30}\times (3\times 10^8)^2=1.2537\times 10^{44} J\)

辐射时间

由上课内容可得\(L_{\odot}=3.86\times 10^{33} erg\cdot s^{-1}=3.86\times 10^{26} J\)，有\(t = \frac{E}{L_{\odot}} =\frac{1.2537\times 10^{44}}{3.86\times 10^{26}}=3.25\times 10^{17} s=1.03\times 10^9 y\)

与预计寿命比较

太阳的预计寿命为\(\tau_{\odot}=4.6 Gyr\)，大于此处预测的结果，说明太阳内部还存在其他的核聚变过程。

赫罗图

赫罗图（Hertzsprung-Russell Diagram，简称H-R图）是用来描述恒星属性的图表，主要是用来显示恒星的亮度和温度之间的关系。它通常展示了恒星的光度（或绝对星等）和表面温度（或光谱型）之间的关系，可以让我们更好地了解恒星的物理性质和进化状态。在H-R图中，恒星的亮度通常在y轴上被表示为绝对星等（光度），表面温度（或其他表征温度的参数，如色指数）通常在x轴上表示。每个点代表一个恒星，根据恒星的光度和表面温度，它们将被具体地分布在赫罗图中的不同区域。根据它们在图表中的位置，人们能够推断出恒星的年龄、质量、半径和演化阶段等性质。

赫罗图说明了恒星的光谱类型与其光度之间的关系。在赫罗图上，绝大多数恒星沿着从暗红色到亮蓝色的对角线排列，这个区域里的恒星温度越高，光度也就越强。这些恒星是主序星。而右上的恒星，如红巨星和红超巨星，它们光度高但温度低，体积很大，因此发光面积很大；左下的恒星如白矮星，温度高但体积小，所以光度很低。

由恒星在赫罗图上的位置，我们可以得到恒星的以下性质：

  • 光度型：主序星位于主序带的对角线区域，核心正在进行氢融合，红巨星和红超巨星位于赫罗图的右上部分，白矮星位于赫罗图的左下部分。更细致的，比如巨星，可以分为超巨星，亮巨星，巨星，亚巨星等
  • 恒星半径：根据恒星在赫罗图上的位置可以判断出其半径。

此外，根据它们在图表中的位置，还可以推断出恒星的年龄、质量，估计星团或星系的距离，推断其他特殊类型的恒星（如造父变星和天琴座RR型变星）。