03 恒星和星系—地球的宇宙环境～结合相关高考真题—超前培-备战高考地理之探讨大学地理知识

这是一份03 恒星和星系—地球的宇宙环境～结合相关高考真题—超前培-备战高考地理之探讨大学地理知识，共18页。试卷主要包含了22光年，5×10¹²km，512，45等，金星最明亮时亮度为—4，26光年等内容，欢迎下载使用。
地球的宇宙环境—恒星和星系～结合相关高考真题
宇宙是物质的。宇宙间的物质以各种形态存在着：有的是聚集态，构成各类星体；有的成弥散态，构成星云，即云雾状天体；还有弥散于广漠的星际空间，极其稀薄，称星际物质，包括星际气体和星际尘埃。所有这些物质统称天体。
宇宙间最重要的天体是恒星，太阳就是恒星的一个典型代表。恒星和星云都拥有极其巨大的质量。相比较而言，太阳系内的行星、卫星、彗星和流星体等，其质量是微不足道的。
大量的恒星和星云构成巨大的天体系统，叫做星系。它们是宇宙的基本构件。地球和整个太阳系所属的星系，叫银河系；银河系以外的无数星系，统称“河外”星系。
201 恒星
S201-1 恒星及其自行
在无月的晴夜里，繁星满天，除了屈指可数的几个行星外，它们都是恒星。人们花费了许多个世纪的时间，才了解到恒星就是一个个遥远的太阳。试想，要把白昼所看到的这个炽热、辉煌和光芒四射的太阳，同暗夜里的点点繁星等同起来，在那个时代，需要有多大的想像力！
恒星都是由炽热气体组成的、能够自身发光的球形或类似球形的天体。它们之所以是炽热的和能够自行发光，是因为它们具有巨大的质量天体：地球大气层外、宇宙空间中，不附着于其他物体的物质。
；正是由于恒星的质量巨大，它们在自引力作用下，形成球形或类似球形的天体。
恒星都极其遥远，因而都成为天空中的光点。直到150余年前，才有人测定它们的距离。离我们最近的那颗恒星是半人马座α（中名南门二），其距离是4.22光年。
光年是天文学上的一种距离单位，是光在一年里在真空中传播的距离。光速每秒近3×10⁵km，1光年=9.5×10¹²km。
这个数字的含义是，倘若半人马座α发生一起突发事件，譬如一次大的爆发过程，那么，在那以后的4年多时间里，我们对此事件将一无所知，因为再没有其它途径能使信息比光还快传递到我们这里。当我们极目向太空远跳时，在时间上说，我们是在看过去。我们现在所看到的，都是恒星“过去”的形象。
测定恒星的距离，知道它们在哪里？这就向知道恒星是什么迈进了一大步，能够由此知道它的许多情况。其中，有两个非常重要的性质几乎立即就可以获得，这就是该恒星的光度和垂直于我们视线方向的运动速度。
“恒”星的本意是“固定的星”，以区别于行星。所谓“固定”，并非指没有随天穹东升西落的周日运动，而是指它们在天球上的相对位置保持不变。例如，为人们所熟悉的北斗七星，尽管不停地“斗转星移”，却始终保持“斗”的形状不变。但是，恒星彼此间相对位置的不变性，只是近似的。事实上，恒星在空间不断地运动，而且，其速度可高达每秒数百千米，只是由于它们的距离太遥远，短期内不易被察觉而已！
恒星的空间速度，可以分成两个分量，即视向速度和切向速度。前者是沿观测者视线的分量（离观测者远去为正，向观测者接近为负)；后者是同视向速度相垂直的分量，它表现为恒星在天球上的位移，并且被叫做自行（图2-1）。

恒星自行的速度，一般都小于每年0.1”，迄今只发现有400余颗恒星的自行超过每年1”。其中，自行最快的恒星是蛇夫座的巴纳德星，它的切向速度为每年10.31”。由此可知，恒星其实也不“恒”。

恒星的自行，没有统一的方向和速率。例如，北斗七星中的北斗一（天枢）和北斗七（摇光）的自行，与其它五颗星的自行大相径庭。多少年之后，北斗将变得面目全非（图2-2）。
§201-2恒星的发光和光谱
恒星能自行发光（指可见光），这是它的本质特征。恒星要产生可见光，其温度必然是很高的。为什么恒星能有很高的温度？这里有两方面的问题：一是质量大小问题，恒星有巨大的质量，因此，它有很高的中心温度，才能引起热核反应而释放大量能量；二是发展阶段问题，恒星并不是从来就发光的，也不会永远是发光的，只是在它生命史上的某个阶段才有发光现象，而且，在不同的演化阶段，会发出不同的光。
究竟要多大质量的天体才能发光？才算是恒星？根据对恒星质量的统计，大多数恒星的质量不小于太阳质量的10%，也不大于太阳质量的10倍。有些恒星的质量仅及太阳质量的百分之几；也有些恒星的质量超过太阳质量的一百倍。如此看来，能自行发光的天体，其质量至少要达到太阳质量的百分之几到百分之十。
人们为了区别不同的光，让星光吸收光谱的成因：白光通过气体时，被气体吸收掉其特征谱线波长的光。
通过分光镜一类的光学仪器，使不同波长或者说不同颜色的光，按其波长顺序排列成一条光带——光谱。
我们知道，每一种物质当它发光的时候，都有自己独特的标志，也就是各种元素发出一定颜色，或者说一定波长的光，这叫发射光谱。
另一方面，它们也会吸收别的光源发射的光线，在连续光谱中出现暗色的吸收线，这叫吸收光谱。
有趣的是，各种元素（在低压下的炽热气体）所吸收的光线，正是它们（在同样条件下）所能够发射的光线。
恒星的光谱有不同的类型。不同光谱型之间的主要差别在于星光颜色，而颜色实际上是恒星温度的反映。
红色的星，表面温度最低，约为3000K，黄色星约为6000K，太阳便属于这一类恒星；白色星约为10000一20000K，带蓝色的星温度最高，可达30000一100000K。
按物理学定律，温度越高，光谱最明亮（辐射强度最大）部分越接近蓝色一端。为此，人们只要在谱线中找出最明亮部分所对应的波长，便可推算出恒星的表面温度。
化学家们凭光谱中的发射线（亮线）证认各种元素，天文学家则凭光谱中的吸收线（暗线）和发射线，研究天体的物理性质和化学成分。来自恒星的光，首先要通过自身的大气层，所以，大多数恒星的光谱是带有吸收线的连续光谱。少数恒星的光谱还有一些发射线，或者只有发射线而没有吸收线。
根据恒星光谱的研究，不同温度的恒星，其化学组成大同小异。对于大多数恒星来说，主要成分是氢，约占90%；其次是氦，约占10%。其它元素很少，不足1%。
此外，通过光谱分析可以确定恒星的光度，比较它的视亮度，就能推知恒星的距离。星光成了传递天体的各种信息的远方使者，故被称为“有色的语言”。以恒星光谱最明亮带推测其温度。

典例
（2016上海卷）太空中隐藏着无限的奥秘，人类对太空的探索越来越深入……
1．人类在探月过程中发现，月球表面覆盖着厚厚的月壤。月壤的形成主要是由于月球表面
A.平均温度过低 B.平均温度过高
C.温度变化无常 D.昼夜温差过大
答案：D 月球表面是真空状态，昼夜温差大，物理风化作用强。选D正确。
2．2018年我国将发射嫦娥4号飞行器，实现人类首次在月球背面软着陆。飞行器在月球表面会受到诸多来自宇宙空间的威胁，其中人类难以估计的威胁可能是月球表面
A.空气太稀薄 B.宇宙辐射太强
C.陨石撞击太多 D.月球引力太小
答案：C 月球表面是真空状态，来自宇宙的各种辐射没有大气的保护，对人类威胁大。选C正确。
考点：考查地球的宇宙环境。
§201-3多普勒效应
奥地利物理学家多普勒(1803一1853)从声波传播中发现，波的频率要因声源与观测者的相对运动而变化，并解释了这种现象，因而被叫做多普勒效应。
许多人都熟悉，火车的汽笛声在列车向你奔驰而来时，音调会变高；而当它掠过你离去时，声音马上就会低沉下来。音调高，表明声波的频率较高；音调低，声波频率较低。这并不意味着声源发生了什么变化，而是由于声源与观测者的相对运动所致。当声源对着观察者相向而来时，声音频率提高；当声源背离观察者而去时，声音频率降低。
多普物效应是一切种类波所共有的现象，也适用于光波和电磁波。测定光的多普勒效应的最好办法，是观测它的谱线的变化：例如，大多数恒星的光谱里，在紫外光部分都有两条暗线，这是被钙气吸收所致。
令人诧异的是，遥远星系光谱里的这两条暗线，却不是处在它们应处的位置上，而是稍稍移向低频端（即红端）。这种现象称为红移”。星系距离愈远，谱线"红移”愈显著，甚至使这两条应处于紫外光部分的暗线，移到了红光一端。这种某频率谱线的位移现象，说明该天体正在与观测者作相对运动。可见光谱如果发生了红移（波的频率降低，波长变长)，表明该天体正在退行；反之，若谱线发生紫移（波的频率升高，波长变短），该天体就在向我们接近。
多普勒效应为天文学家提供了一种测定天体视向速度的方法：只需测定天体的光的波长变化，便能求得该天体相对于我们的速度。以吸收带在光谱上的移动，推测其相对地球运动方向。

S201-4恒星的亮度和光度
恒星的亮度是指地球上受光强度，即恒星的明暗程度；恒星的光度表示恒星本身的发光强度。恒星看起来有明有暗，但是，亮星未必一定比暗星的发光本领强，因为这里还包含着距离的因素。
在天文学上，天体的亮度和光度都用星等表示：表示天体亮度等级的叫视星等，记作m；表示天体光度等级的叫绝对星等，记作M。通常所说的星等是指视星等。
星等是天文学史上传统形成的表示天体亮度的一套特殊方法，如同气象学上用风级来表示风速一样；所不同的是，星等越大，恒星亮度越暗。二千余年前，希腊天文学家把肉眼可见的恒星分成六等。后人沿袭了这套方法，同时，经过光学仪器的检测，使之更加精确。
六个星等的尺度分别是：一等星特别明亮，全天共21颗，它们在附近恒星中显得非常突出。二等星比较明亮，北极星和北斗（除北斗四外）星可作为代表。三等星不大明亮，但在薄雾、明月和城市灯光下，一般仍可见到。四等星较为暗淡，在上述条件下，隐匿不见。五等星很暗淡，天空全黑时可见。六等星是最暗淡的星，只有在良好的观测条件下方能看到。
人们发现，一等星与六等星，星等相差5等，它们的亮度相差100倍。连续各个星等的亮度成几何级数，若相邻两星等的亮度比率（级数的公比）为R，则有：
R⁵=100
两边取对数：
5lgR =2
lgR=0.4
R=2.512
有了这样的数量关系，就可以用星等来表示任何亮度。星等相差1等，恒星的亮度相差2.512倍。星等按等差级数增大，亮度便成等比级数递减。
望远镜和照相术问世后，星等扩展到更暗的恒星。现代最强大的望远镜，能够观测到25等的暗星。另一方面，星等还向零值和负值扩展。例如，天狼星（全天最亮的恒星)的亮度为一1.45等，金星最明亮时亮度为—4.22等，满月的亮度为—12.73等，太阳的亮度达—26.74等。这就是说，太阳的亮度是一等星亮度的(2.512)²⁷`⁷⁴=1300亿倍。
假定有两颗恒星，其星等为m和m₀(m>m₀)，它们的亮度E和E₀的比率为
E₀/E=2.512ᵐ⁻ᵐ⁰ (1)
两边取对数，并记住lg2.512=0.4,得
lgE₀—lgE=0.4(m-m₀)
(m -m₀）=2.5(lgE₀—IgE)IgE (2)
如果取零等星(m₀=0)的亮度E₀=1,那么
m =-2.5lgE (3)
(3)式称普森公式。该公式表明，只要有明确的零等星和它的标准亮度即平均亮度，就可根据恒星的亮度E推算其星等m。
恒星的亮度与其距离远近有关。如图2-3所示，光源的视亮度与其距离的平方成反比。单从亮度是看不出恒星的真实光度的。为了比较不同恒星的光度，必须把它们“移”到同一位置(距离)上，才能对比出它们的真正亮度即光度来。分别按明暗度和发光度，把众星分等。


天文学上把这个标准距离定为10秒差距，相当于0″.1视差的距离，合32.6光年。距离因素被消除后，星等仅与恒星的光度有关。
秒差距是天文学上常用的一种距离单位。当天体的周年视差为1"时，其距离为1秒差距，相当于206265AU或3.26光年。
标准距离(10秒差距)下的恒星的亮度称绝对亮度，其星等叫绝对星等。有了这个标准距离，就可以根据恒星的实际距离(d)和视星等(m)，推算它在10秒差距时的亮度EM和绝对星等M。
设EM表示绝对亮度，Em表示视亮度。由公式(1)可得
EM/Em=2.512ᵐ⁻ᴹ
恒星的亮度与其距离的平方成反比，如该恒星的距离d以秒差距为单位，那么
EM/Em=d²/10²
把这个关系式代入前面那个方程式的左边，便得
d²/10²=2.512ᵐ⁻ᴹ
两边取对数，并记住lg2.512=0.4，那么
M=m+5—5lgd (4)
(4)式是现代恒星天文学最重要的公式之一。恒星的两种星等之差，在恒星距离的测量工作中是十分重要的，只要测定恒星的绝对星等，便可按平方反比定律，求知该恒星的距离。
若d=10，则5lgd=5，M=m同等距离下，发光度高，明暗度高。

即恒星距离为10秒差距时，它的视星等即为绝对星等。
10秒差距在恒星世界是“咫尺之距”，只有为数不多的亮星位于这个距离之内。因此，对于绝大多数恒星来说，其绝对星等高于它的视星等。如果把太阳移到这个距离，它的星等将是4.75等，成为一颗不起眼的暗星。
在恒星世界里，光度的差异十分悬殊。光度最大的恒星，比太阳强100万倍；光度最小的恒星，仅及太阳光度的百万分之一。在这方面，太阳也是恒星世界的普通一员。
§201一5恒星的多样性
恒星的化学组成基本一致，质量差异也不大（相对于其它物理参数而言），可谓大同小异。但是，它们存在的形式，却是五花八门和复杂多样的。
——单星、双星和星团
一般的恒星是单个存在的。但是，有一些恒星是成双成对的，被称为双星。例如，全天最明亮的天狼星就是一颗双星。它的伴星光度很小，肉眼不可见。在已知恒星中，双星约占1/3。
双星分光学双星和物理双星两类：前者在天球上位置很靠近，但实际上在视线方向上相距很远，并无物理上的联系，这类双星又叫视双星或假双星；后者两个子星空间距离接近，由于相互吸引而相互绕转，是真正的双星。
若双星绕转的轨道平面平行于视线方向，还会发生周期性的相互掩蔽，从而发生亮度变化，叫做食双星。
有的双星的子星本身也是一对双星。例如，半人马座（南门二）实际上是一颗三合星。它由A、B、C三星组成，其中的A和B是一对双星，二者又同C星结成双星。
按目前的位置，C星比A、B二星更接近我们，它是现在的比邻星。
在恒星世界中，还有许多恒星集中分布在一个较小的空间，彼此有物理联系，形成一个稠密的恒星集团，叫做星团。例如，金牛座的昴星团（俗称“七姐妹”，事实上肉眼只见到六颗），一簇小星密集在月轮大小的天区内，比头等明星更引人瞩目。其实，它的成员多达280余个，天文上称疏散星团。
最庞大的星团由数十万颗恒星聚集而成，它们呈球对称状分布，因而被称为球状星团(图2-4)。
设问：推测恒星的亮度周期性变化的原因？

——变星、新星和超新星
大多数恒星的光度是稳定的，短时期内几乎没有变化，太阳就属于这一类恒星。有些恒星的光度在短时期内会发生明显的、特别是周期性的变化。变化的周期，长的可达几年到十几年，短的只有几日甚至几小时。这样的恒星称为变星。
银河系内已发现的变星约有2万多颗。按其成因，变星可分食变星、脉动变星和爆发变星三类。
食变星又叫几何变星。它的亮度变化是由于双星相互绕转时发生交食现象而引起的，即前述的食双星。最著名、也是最早被发现的食变星是英仙座β（中名大陵五），有魔星之称。
该恒星平时的亮度约为2.2等，当伴星掩蔽主星时，在4小时50分钟内，亮度减为3.4等；然后，经过同样的时间，迅即又恢复到原来的亮度。它的变光周期为2日20时49分，变化十分有规则（图2-5）。

脉动变星和爆发变星又叫物理变星。它们的亮度变化是由于恒星内部或其大气物理状况变化所致。
脉动变星是恒星体积发生周期性膨胀和收缩而引起光度的变化：膨胀时光度变大；收缩时光度变小。已知银河系内的脉动变星有一万多颗，约占其变星总数的一半。
爆发变星是星体爆发现象而引起光度的变化。爆发变星中，亮度在很短时间内（几小时至几天)突然剧增、然后缓慢减弱的恒星叫新星。在爆发过程中，新星虽然释放大量的能量和损耗一部分质量，但以后仍作为一颗恒星而继续存在。
爆发规模特别大的变星叫超新星，其光度变幅超过17个星等，即亮度可突然增强到原来的几千万倍甚至近万万倍。这是恒星“临终前的回光反照”。经过这样爆发以后，超新星只留下一个致密的残骸，而不再是通常意义的恒星了！
银河系里已发现170余颗新星和4颗超新星。我国北宋至和元年(1054年)所记录的“天关客星”（天关即金牛座），是最著名的一次超新星爆发。它的遗迹不断扩散，形成著名的蟹状星云。
——巨星、超巨星和白矮星
恒星世界也分“巨人”和“侏儒”，它们的体积大小十分悬殊。然而，恒星的大小是无法直接测定的，即使在最强有力的望远镜视场里，恒星也不分大小，都是一个光点。它们的体积大小，具体反映在恒星的光谱型（或温度）和光度（或绝对星等）的关系上。
19世纪中叶，发现恒星有距离上的差别后，随即就知道，恒星还存在着光度的差异。一旦获得了恒星的温度和光度的大量信息，下一步很自然地会把这两方面的知识联系起来，建立起一种关于恒星理论的至为重要的关系。
本世纪初，丹麦天文学家赫茨普龙(1873一1967)和美国天文学家罗素(1877一1957)，不约而同地创制了恒星的光谱型和光度的坐标关系图，简称光谱-光度图，通常也叫赫罗图。
它以恒星的光谱型（或温度）为横坐标，以它的光度（或绝对星等）为纵坐标，每颗恒星按照各自的光谱型和光度，在图上占有一定的位置（图2-6）。大多数恒星的光度决定于其温度。


赫罗图的一个明显特点是，恒星并不是在图上到处分布的。大多数(90%以上)恒星分布在从图的左上方至右下方的一条窄带上，温度由高到低，光度由大到小，形成一个明显的序列。这条窄带叫做主星序；位于主星序上的恒星，则被称为主序星。
这个关系图表明，大多数恒星的光度，决定于它们的温度，即恒星的温度越高，其光度就越大。
同主序星相比较，赫罗图上有三部分恒星情况殊异。一部分集中在图的右上方，它们的温度不高，但光度却很大。这等于说，一颗“冷星”，却又十分明亮。对此，唯一的解释只能是它们的体积很大，因而增加了发光面积。
这部分恒星叫红巨星。在红巨星的上方，一直延伸到图的左侧，是一些超巨星。其中，低温的红超巨星是恒星世界的“超级巨人”，为数不多，赫茨普龙把它们喻为“鱼中之鲸”。
目前已知的最大恒星是仙王座V，其半径约为太阳半径的1600倍，体积超过太阳的40亿倍。巨星和超巨星在恒星中所占的比例不到1%。
另一部分恒星分布在赫罗图的左下方。它们的温度相当高，但光度却很小。这表明，它们的发光面积不大，体积很小。这些小而热的恒星叫白矮星。
最先发现的一颗白矮星是天狼伴星。其半径只及太阳半径的0.75%；体积比地球还小，可却具有与太阳相仿的质量。在太阳系附近的恒星中，白矮星大约占10%。
恒星世界的一个奇妙特征是，巨星和矮星在体积上的差异，犹如动物世界中大象与蝼蚁的差异；然而，它们的质量却“不相上下”。可想而知，恒星的密度也存在着惊人的差异：巨星十分稀薄；白矮星则非常致密，其中心密度是水的100万一1000万倍。
赫罗图的一项应用，是求主序星的距离。只需知道恒星的光谱型，便可从它在赫罗图主星序的相应位置，直接得知其光度，再根据恒星的视亮度，就能按平方反比定律求知其距离。
赫罗图还反映出恒星的演化程，图上不同的序列，意味着恒星生命史上的不同演化阶段。
温度高，光度低，是白矮星；温度低，光度高，是红巨星。

——脉冲星和中子星
20世纪60年代，天文学家发现了一种新型的变星，它有规律地发出射电脉冲讯号，所以取名为脉冲星。脉冲的周期很短，最长为4.3s，最短的只有0.0016s,而且十分准确稳定，间隔的误差仅为0.00000001s。
什么样的天体能如此快速而稳定地发射脉冲讯号？一个天体发生周期性变化，其可能的机制不外乎三种：轨道运动、脉动和自转。显然，前二者是没有可能的，不可能设想恒星相互绕转的周期会短到0.033s。所以，脉冲星不是食变性。同理，脉动周期也不会短到不及几百分之一秒，且脉动不具有那样严格的准确性，所以，脉冲星也不是脉动变星。剩下的唯一可能是恒星自转。
可是，如此“疯狂般”的自转，不要说普通恒星承受不了，连白矮星那样致密的天体也会分崩离析。于是，学者们认定，它只能是人们早已预言的中子星。
中子星是由中子组成的恒星。这是由于恒星演化到晚期，能量耗竭。若经引力塌缩，其剩余质量大于某一极值时，电子运动都不能抗衡原子核吸引力，就继续塌缩，经逆β衰变形成大量自由中子，致使恒星密度很大，体积很小，形成中子星。
中子星的直径只有几十km，而它的质量可以超过太阳。白矮星的密度已使人惊叹不已，中子星的密度比它还要高出1亿倍以上。每立方厘米的这种物质，可达几亿吨到10亿吨！这样超高密的天体，有足够强大的自引力，不致因高速自转而瓦解。
中子星是如何发射脉冲的呢？学者们认为，在这样的天体上可能形成一种条件，使它的射电波主要是从其表面的局部地区发射出来，而其它部分的辐射很弱。这样，中子星会像一个旋转着的喷头一样发出射电波，每转一周便朝观测者方向射来一束电波。这种间歇性的“闪烁”被称为“灯塔效应”。
“脉冲星”名称是指天体辐射的表现形式；“中子星”则表明这种恒星的物理实质。它已被观测所证实。
§201-6恒星的演化尘埃星云因引力凝聚、核聚变放热膨胀、核能耗尽收缩成黑矮星。

同自然界一切事物一样，恒星经历着从发生、发展到衰亡和转化的过程。搞清恒星演化问题，是20世纪后半叶天文学的最大成就之一。概括地说，恒星的一生大体上是这样度过的：
——现代天文学有证据表明，恒星是由星云（气体和尘埃）凝聚而成的。弥漫星云在自引力作用下，很快地（按天文学的时间尺度而言)收缩成比较密集的气体球。
在收缩过程中，引力势能转化为热能，内部温度升高并辐射能量，向着赫罗图的主序上的某个位置移动。星云的质量愈大，收缩愈快，达到主序的位置愈高（温度高，光度大）。
——恒星“移”到主序后，内部温度高到足以“点燃”核火，热核反应代替引力收缩，成为恒星的主要能源（这是一种巨大而稳定的能源)。温度升高，热运动加快，恒星就要膨胀，使排斥力足以同引力相抗衡。从此，恒星停止收缩，长期稳定地依靠热核反应进行辐射。
一颗恒星呆在主序中的时期，占去其生命的大半辈子；而且，恒星在主序上逗留时间的久暂，也取决于其质量的大小。恒星质量愈大，引力愈强，它必须维持较高温度和较大的辐射功率来抗衡引力收缩，它的氢燃料消耗更快，寿命愈短。
——热核反应是在恒星的中心区域进行的，那里的氢核燃料最先耗尽，逐渐形成一个由氦组成的核，停止释放能量。氢燃料的逐渐枯竭，是恒星在结构上发生根本变化的前奏。
随着氦核的不断增大，其引力收缩急剧增强，并释放大量能量。结果，恒星的核心收缩（变得愈来愈致密和炽热），外层膨胀（温度降低而光度增大），成为一个非常巨大的、具有“热”核的“冷”星。这时，恒星便离开主星序，进入红巨星区域，到了它生命的“晚年”。
恒星过渡到红巨星阶段后，其演化速度大大加快起来。中心区域的温度和密度因收缩而继续升高，当温度升高到1亿度时，会发生由氦核聚变为碳核的新一轮热核反应；
氦烧完后，温度继续因收缩而升高，原子核再聚变产生更重的元素。但这以后的聚变过程所释放的能量很有限，恒星已到了“垂暮”之年。一且核反应终止，对引力的抗衡全线崩遗，恒星的最后归宿便是自行坍缩。
——红巨星收缩时，其核心部分收缩最为猛烈，外部层次处在较弱的引力下。核心温度因猛烈收缩而急剧上升，由此就起的热浪会把外层气壳抛掉，剩下一颗致密和炽热的白矮星；以后逐渐冷却，变成又小又暗的黑矮星。大多数恒星就这样结束它的一生。
然而，并非所有恒星都经历这样“平静”的演化道路。那些质量和体积特别巨大的恒星，在其演化的最后阶段会发生爆炸，进发出盛大的太空焰火。这就是超新星爆发。
如果它们留下的“残骸”的质量足够大(1.4一3.2倍太阳质量），它就会一落千丈地坍缩为中子星。超过这个限度，甚至连核力也将在引力前面低下头来，中子也会崩坍，形成所谓黑洞。即未经最后证实的、理论预言的一种天体，其表面的逃逸速度达到光速。因此，它虽然发光，却又看不见，于是称为黑洞。它像宇宙间一头贪婪的猛兽，无情地吞噬着周围的一切。
恒星在引力作用下“诞生”，也在引力作用下“死亡”。
202 星系银河四季可见，夏秋最亮；银河与天赤道交于天鹰座。

S202-1银河与银河系
夏秋季节，无月的晴夜，人们可以在天空中看到一条淡云薄纱般的白色光带，天文学上称之为银河（民间也叫天河）。银河曾是一个猜不破的谜。直到望远镜问世后，云雾状的银河才被分解为点点繁星；由于它们太密集，距离又遥远，所以，肉眼望去就成为白茫茫一片的云雾状光带。
恒星天文学的创始人、英国天文学家赫歇耳(1738一1822)系统地研究了恒星的分布后发现，愈近银河，恒星分布愈密集；离银河愈远，恒星分布愈稀疏。他由此悟出，密集在银河中的无数恒星，连同散布在天空各方的点点繁星，包括我们的太阳系在内，都属于一个庞大无比的恒星系统，并把它称为银河系。
如果把银河系比作一座茂密的森林，那么，从地球上看来，满天繁星好比是它周围可辨的单株树木，而银河则是远方的一片模糊密林。
由此看来，银河与银河系是同一事物的两个不同图象：银河系是以银河命名的星系；我们置身于银河系内，无法看清它的全貌；我们所见到的，只是银河系主体在天球上的投影，这便是银河。
银河绵延周天，平均宽度约20°，其中心线（称银道）构成天球的一个大圆，与天赤道成62°交角。明亮的银河中，夹有暗的、长条形的裂隙和局部暗区，使银河各部分明暗不同，支离破碎。这是因为那些天区有暗星云存在，对银河发生消光现象所致。
由于银河与天赤道斜交，因而其姿态绰约多变。夏秋之交的黄昏，银河最为明显。它从东北方向起越过头顶，分二支平行地伸向西南方。“银汉横空万象秋”，成了秋夜星空的写照。
到冬去春来的黄昏，银河又一次在头顶越过。这一次的方向变成由西北向东南；而且，这半圈银河十分暗淡，不引人瞩目。
银河系是大量恒星、星云和星际物质的聚集体。它拥有一、二千亿颗恒星，总质量约为太阳质量的1400亿倍，其中恒星约占90%，星云与星际物质约占10%。
银河系的主体部分是一个又圆又扁的圆盘体，直径约为8万光年；中部较厚，边缘很薄，状如铁饼（图2-8）。银河之所以成为周天环带，就是因为银河系具有圆而扁的形状。

圆盘体是在旋转中形成的。它的旋转轴指向天球的两点，叫做银极，距南北天极各为62°。银盘在旋转中形成一些旋臂，太阳位于其中的一条旋臂上（图2-9）。银河北极的位置在约赤经13h，赤纬27°。


圆盘体分核球和银盘两部分。核球是圆盘体的中心部分，长径约10000一13000光年，厚约10000光年，是圆盘体中恒星最密集的部分。核球的中心部分叫银核；银核的中心叫银心。
银盘位于核球的四周，内侧较厚，约2400一4800光年；外侧较薄，约800光年。在圆盘体外围，还有银晕。它大体成球状，范围很大，但其物质密度比银盘低得多。
§202一2太阳在银河系中的位置和运动
太阳在银河系中居于怎样的位置，可以从如下两方面考察：
银河的中线大体上把天球分成相等的两半。这证明，我们太阳（或太阳系）的位置，很接近银河系赤道平面（即银道面）。要不然，如果太阳远离银道面，银河将不再成为周天的环带，而只占据天穹之一隅。
银河两半圈的明暗程度不同。这证明，太阳并不位于银河系中心，而是偏踞银盘的一侧。如果它位于银河系中心，那么，银河各部分的亮度应该大体相同。
具体地说，太阳的位置距银心约2.4万光年，向银心所在方向（在人马座），太阳距银盘边缘约6.4万光年。从这个方向看去，恒星特别密集，银河显得最宽最亮。反之，在同银心相反的方向，太阳距银盘边缘只约1.6万光年，从这个方向看来，恒星分布稀疏，银河显得十分暗淡。
作为银河系的成员，太阳有相对于银心的绕转，其速度为250km/s。按太阳与银心的距离，推得其绕转周期为2.5亿年。如果地球年龄为46亿年，那么，它随同太阳环绕银心已经转了约18周。
恒星在绕转银心的同时，还有相对于邻近恒星的运动。我们的太阳率领其行星家族，向着天空中武仙座方向（近织女星）前进。这个方向所指的点被称为奔赴点。
人们都有这样的经验：当汽车行驶在市郊的林荫道上时，透过车窗向前方凝视，会感到道路两旁的行道树从远方的一点向两边散开；向后凝视，又会觉得它们向远方一点会聚。如果太阳系向着武仙座方向前进，那么，天空中的恒星，也会从武仙座中的一点向四周散开。
事实上，人们正是根据这个现象，推知太阳系向着武仙座方向前进。太阳的这项运动，速度是20km/s。
既有绕转银心的运动，又有相对于邻近恒星的运动，对于这二者的关系，有人作了一个形象的比喻：太阳及其邻近的恒星，好似飞行中的群蜂。它们既成群结队地朝某个目标飞行，又有相互间杂乱无章的穿设问：北半球冬春之交的夜间，银河比较暗淡的原因？提示：地球公转到太阳与银心处于它同一侧的位置。
插运动。前者好比绕银心转动，后者则是恒星间的相对运动。
典例
（2019·浙江4月）月球表面既无大气，又无液态水。我国“嫦娥四号”是人类首次成功着陆于月球背向地球一面的航天器。图1为地月系示意图，图2为某时刻月球远离地球的一端看到的太阳系中的明亮天体。完成32～33题。
32．图2时刻，月球可能位于轨道上的位置是( )
A．① B．② C．③ D．④
33．嫦娥四号在月面上可观察到( )
A．地球遮住银河系的光芒 B．流星拖着亮线飞过头顶
C．太阳在月面上西升东落 D．水星金星太阳同在星空
【答案】32．B 33．D
【解析】第32题，读图可知，图2中金星、木星及火星均出现在夜空，说明此时为月球的夜晚，且金星位于西方的月平线上，说明此时为傍晚时分。图中①处月球远离地球一侧为白天，在太阳光照射下，火星及金星等行星不会有如此明亮，A错。
此时金星位于西侧地平线上，说明此时为日落时刻，②位置远离地球的一侧此时随着月球公转将进入黑夜，为日落时刻，B对。
③位置为夜晚，金星不会出现在夜空，C错。
④为日出时刻，此时金星应位于东方天空，D错。
第33题，恒星光线为平行光，地球不会遮住银河系的光芒，A错。
流星是彗星与大气摩擦产生的发光现象，月球没有大气，不会有流星现象，B错。
由于月球自转方向为自西向东，所以太阳也是东升西落的，C错。
嫦娥四号位于月背，有可能看到水星与金星和太阳会同时在出现在星空中，D对。
S202-3河外星系
象银河系这样包含大量恒星的天体系统，被叫做星系。在现代观测工具所能察觉的范围内，这样的星系约有10亿个。所有这些星系（除银河系外），统称河外星系。因为它们远在“河”外，所以显得十分暗淡和渺小，肉眼可见的寥寥无几。它们在外表上表现为模糊的光点，同银河系内由气体和尘埃组成的弥漫星云相似，因而被称为“河外星云”。
把外形相似的河外星云同银河星云区分开来，证实它们是“河外”的星系，还是20世纪20年代的事，是天文史上的一次重大突破。
星系的分布也有结群现象。一些相互邻近的星系结合成星系群。银河系所属的星系群，叫本星系群，约有40个成员，除银河系外，最主要的成员是大、小麦哲伦云。
大麦哲伦云和小麦哲伦云是南天肉限可见的二个河外星系，也是离我们最近的两个河外星系，由于近南天极，北纬20°地方始升起地平。152河外星系有数百亿个，但在地球上肉眼可见的不过五指之数。
1年，葡萄牙航海家麦哲伦作环球航行时，首先对它们作了精确描述，故名。
大云约6°大小，相当于12个月轮直径；小云约2°大小，相当于4个月轮直径。二云空间距离约5万光年，天球上相距20°，在天空中蔚为奇观。除了太阳、月亮和银河外，它们是天空中最显著的观察目标。
它们的距离分别为16万光年和19万光年，是银河系的紧邻；二者与银河系组成一个三合星系。
此外，本星系群中最接近的星系，当推仙女座大星云(M31)。这是北天唯一的、肉眼勉强可见的河外星系，距离为220万光年。这就是说，我们现在看到的仙女座大星云的暗淡光芒，远溯到它离开光源的时候，人类还处在“从猿到人”的进化过程中！
比星系群更加庞大的天体系统叫星系团。一个星系团包含几百甚至几千个星系。在星系团所在的天空区域，星系分布特别密集。
已经发现的星系团有上万个，其中离我们最近、最著名的是室女座星系团，距离为6000万光年，在天球上占据长40°，宽15°的天空区域，直径为6000万光年，包含着2500余个星系。
比星系团更高一级的天空世界为总星系。它包括现有观测工具所能涉及的全部宇宙空间和已被觉察的10亿个星系。其中，最遥远的星系超过100亿光年。
§202-4宇宙
宇宙是天地万物的总称，即客观存在的物质世界，也就是广漠的空间和存在于其中的天体和弥漫物质。但它的本义兼有空间和时间两个方面概念。
战国时代的尸佼在（尸子）中有：“四方上下曰宇，往古来今曰宙”，可见我国古代就把宇宙看成空间和时间的统一。
哲学上所说的宇宙或物理宇宙是无限的，即空间上的无限性和时间上的无限性。张衡在其《灵宪》中已模糊地说到：“宇之表无极，宙之端无穷”。宇宙在空间上是无边无际的。它没有边界，没有形状，也没有中心；在任何方向上，它都是无穷的。宇宙在时间上是无始无终的。它没有起源，没有年龄，也没有寿命；无论是过去或是未来，它都是无尽的。
宇宙无限的理论，不是三言两语所能阐明的。一位天文学家用“巧妙”的方法，简单地论证宇宙无限的理论。他说：要证明宇宙是无限的，倒不如反过来证明宇宙不可能是有限的！
如果认为宇宙在空间上是有限的，它不论多大，总是有边界的。那么，边界之外又是什么呢？如果宇宙在时间上是有限的，它不论多久，总是有一个开端。那么，“在此之前”又是什么呢？如果宇宙不可能是有限的，那么，它自然是无限的了。
现代宇宙学所研究的宇宙或科学上的宇宙，是指“观测到的宇宙”，即现在能够观测的现象的总和，实质上就是前述的总星若把宇宙一词理解为虚空，它是无限的；若理解为物质占据的空间和时间，则是有限的。
系。
这样的宇宙是物理宇宙的一个组成部分，它不是无限的。在无限的宇宙之中，任何具体的事物都是“渺小”的和有限的，在空间上有它的边界，在时间上有它的起源。
在现代宇宙学中，最有影响的是大爆炸宇宙学。这种学说是在宇宙膨胀理论的基础上发展起来的。
1929年，美国天文学家哈勃(1889一1953)在研究星系光谱时发现，谱线的“红移”是一个普遍的现象。如果把星系光谱中谱线的红移看作多普勒效应的结果，那么，除本星系群的少数星系外，所有星系都以很高的速度背离我们飞驰远去（这并不意味着我们正是处于膨胀的中心）。
哈勃进一步发现，星系的退行速度同它的距离成正比：星系愈远，退行速度愈快。哈勃的这一发现被称为哈勃定律。
星系的退行表明，宇宙仿佛是一个正在被充气的气球，或者像一个逐渐吹胀起来的肥皂泡，正在不断地膨胀。
宇宙膨胀使我们对宇宙的观测受到限制。当星系退行的速度接近光速时，它的光辐射（在我们看来）大大减弱，或“消失不见”。我们只能探测到退行速度低于光速一定值的那部分星系。尽管宇宙是无限的，但是，人们能涉猎的部分却是有限的。
现代强大的望远镜已经探测到那些退行速度达光速90%以上的遥远天体。这已接近我们有可能探查的极限距离了。若把探查距离再扩大一些，那么可以说，我们可见的那部分宇宙已“尽收眼底”了！
如这一理论成立，那么，合乎逻辑的推论是，宇宙在过去要比今天小；而且，在遥远过去的某个时刻，它应当是一个高温、致密的物质核心。
随之而来的另一个问题是，宇宙为什么会膨胀？最简单而且几乎是必然的一个解释是，宇宙起源于最初的一次爆炸，故称大爆炸宇宙学。
按照这个学说的观点，宇宙在最初是一个温度极高(100亿度以上)和密度极大的“宇宙蛋”，那时只有中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态的物质。
这个宇宙蛋发生了爆炸，由于不断膨胀，导致温度和密度很快下降。当温度降至10亿度上下时，中子开始失去自由存在的条件，不是衰变，便是与质子结合成氘、氦等元素。
至温度降低到100万度时，早期形成化学元素的过程结束。这时，宇宙中弥漫着由质子、电子和一些较轻原子核构成的等离子体。持续膨胀使电离气体温度降低至4000K时，足以允许中性原子形成；原子核开始俘获自由电子，把它们保持在稳定的组态中，等离子体复合成为通常的气体。
以后，气体逐渐凝聚成星云；再后来，进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们现在所看到的宇宙。
大爆炸宇宙学所描绘的是一个演化的宇宙，能很好地说明一些观测事实，但它还不是科学上的定论。
§202-5天文新发现
类星体——既非普通恒星和星云，亦非普通星系，而是一种新型的“类星射电源”（辐射较强无线电波的天体)，因在照相底片上类似恒星，故名。
类星体的最显荞特征是，它具有特大的谱线红移现象。一般河外星系最大的红移量不超过0.5，面至今观测到红移最大的类星体，其红移量达4.43，对应的退行速度达光速的95%，即每秒23500m。按哈勃定律推算，后者的距离远达180余亿光年。这样，类星体便成了迄今所知的最遥远的天体。
类星体如果确实这么遥远，而我们又观测到如此强烈的辐射，这就不难推出它的辐射功率大得惊人，达到10⁴⁰J/s，比普通星系的辐射大一千倍，可是它的体积比普通星系小得多，直径不到几光年。
类星体这么小，发射的能量却如此巨大，即使将所有物质都转化为能量也不够。这是目前任何能源理论所无法解释的。类星体在以极限速度冲向宇宙边疆；背景辐射是星际空间存在物质发出的。

3K微波背景辐射——是指宇宙空间在微波波段所发出的各向同性辐射，也称宇宙背景辐射。过去一般认为，除天体或星际云能辐射能量外，广漠的星系际空间是无限的空虚，温度只能是绝对零度（一273℃），不可能有能量辐射。
事实上，星系际空间并不像过去所想像那样漆黑一团和空无一物，而是有“光”和“热”：光是不可见光，波长属于微波波段的电磁波；热表现为背景辐射温度3K，相当于—270℃。
这个事实说明，宇宙空间并不空，物质及其能量是普遍存在的。进一步的观测证明，在天空的各个方向上，都有绝对温度2.7K，强度近似相等的微波背景辐射的发现，对现代宇宙学研究产生深远影响。
按大爆炸宇宙学的理论，宇宙的全部发展史，就是原始火球”的大爆炸。火球从高密、高温状态分崩离析，愈来愈稀，愈来愈冷，热辐射大部分凝聚成各种形式的天体，至今还剩下5K左右的残余辐射。微波背景辐射的发现证实了这个预言。
星际有机分子——指存在于星际空间的有机分子。直到20世纪初，人们普遍认为宇宙空间是一无所有的“真空”。60年代以来，在射电波的厘米和毫米波段，先后发现了百余种分子形态的星际物质，其中相当大一部分是有机分子。
这证明，广漠的宇宙空间充满着物质，不仅有简单的无机物，还有复杂的有机物。
星际有机分子的发现，把天体演化与生命起源问题联系了起来，为生命起源的研究提供了新的材料。已发现的星际有机分子，大多数是地球上生命不可缺少的那一类。
碳是组成这些有机分子的关键。既然有机分子广泛分布于宇宙空间，而地球上的生命也是在这些有机分子的基础上进化而来，这说明，生命现象并不是地球所独有，而是宇宙间的普遍现象。其它天体上的生命很可能沿着同样的途径进化。
类星体、3K微波辐射、星际有机分子和前述的中子星，被称为60年代天文学的“四大发现”。它对天文学及其它学恒星释放出的各种原子，轻的漂浮，重的凝聚成尘埃。轻原子附在尘埃上，发生化学反应。
科的发展俱有深刻的意义。
典例
（2014年高考上海卷）荷兰某机构计划2023年把志愿者送上火星，这个计划可行吗？专家认为技术上很难。
7．火星虽为地球近邻，实际上路途非常遥远。已知火星绕太阳运行的轨道半径平均为1.52天文单位。则地球到火星的最近距离大约为（　）
A.0.52天文单位　　　　B.1天文单位　　　　C.1.52天文单位　　　　D.2.52天文单位
答案: A 【考点】本题考查对天文单位的理解。
【解析】天文单位即日地距离，太阳系八大行星距日由近到远的顺序依次是：水、金、地、火、木、土、天王、海王星，已知“火星绕太阳运行的轨道半径平均为1.52天文单位”，所以地球到火星的最近距离大约为0.52天文单位。
8．志愿者飞往火星途中会遇到的主要困难是（　）
①宇宙空间强辐射　　②火星引力强大　　③火星大气层稠密　　④环境长期失重
A.①③　　　B.②④　　　C.②③　　　D.①④
答案: D 【考点】本题考查宇宙环境的特点
【解析】火星的质量仅为地球的0.11，因此火星周围大气层很薄（或几乎没有大气层），因此大气层对火星的保护作用少，因此将受到宇宙空间强辐射作用；
同时所受的重力将大大降低，将处于长期失重状态。