【凌晨科普】第二帖：恒星的一生 & H-R图像
Q：为什么是【凌晨】科普呢？
A:因为楼主人现在在美帝，时间是凌晨三点多，东西写完睡觉。
Q：【第二帖】？
A：是的！为了普shui及shui知jing识yan，楼主每个周末发一个帖子，科普一个天文主题，这是第二次
第一个帖子的链接：http://tieba.baidu.com/p/4841429282?pn=1
楼主在美国读的大学，专业是物理，minor是天文，科普的这些都是大学里天文课学过的，所以应该不会有什么错的地方。
（PS：除了个别术语，因为我学的时候都是英文术语，翻译的时候可能不恰当，请多见谅）
A:因为楼主人现在在美帝，时间是凌晨三点多，东西写完睡觉。
Q：【第二帖】？
A：是的！为了普shui及shui知jing识yan，楼主每个周末发一个帖子，科普一个天文主题，这是第二次
第一个帖子的链接：http://tieba.baidu.com/p/4841429282?pn=1
楼主在美国读的大学，专业是物理，minor是天文，科普的这些都是大学里天文课学过的，所以应该不会有什么错的地方。
（PS：除了个别术语，因为我学的时候都是英文术语，翻译的时候可能不恰当，请多见谅）
科学家对恒星的研究由来已久，不同的观点也众说纷纭。
在这个帖子里，我提到的理论与数据是【大多数】科学家认可的，来自维基百科，天文课教材等等。
首先由于数据在不同的测量中都有偏差，各个时间各个科学界的说法不一，我采取我看到的最widely accepted的数值。因此如果有吧友对某些数值有异议，不辩。
我首先解释我们的太阳在其一生中各个阶段的情况及其原因，比较详细。
各位准备好了吗
在这个帖子里，我提到的理论与数据是【大多数】科学家认可的，来自维基百科，天文课教材等等。
首先由于数据在不同的测量中都有偏差，各个时间各个科学界的说法不一，我采取我看到的最widely accepted的数值。因此如果有吧友对某些数值有异议，不辩。
我首先解释我们的太阳在其一生中各个阶段的情况及其原因，比较详细。
各位准备好了吗
太阳，我们地球的恒星爸爸，直径 1392000 千米，质量 1.9x10^30 千克（占太阳系总质量的99.8%），光度（功率）3.9x10^26 瓦，在最初，只是一团被超新星爆炸甩出的气体罢了，其依据是太阳的元素构成（通过光谱的吸收线找出）（一颗超新星爆炸甩出的物质可以诞生数十个太阳一样的恒星，后面会说）。
这一大团气体主要由氢构成，也包含了一部分的氦，碳，氧和金属。气压与温度支持着气体的体积，但是当气体团的【大概半径】（因为还不是球体，所以只是大概）超过Jeans length（实在找不到对应翻译）时，一点点的外界干扰都会使这团气体【坍缩】，体积变小。但是由于角动量守恒，这团气体的形状慢慢变成了【中间厚，边缘薄】的盘状。后来中间厚的部分就成为了太阳，而边缘薄的就变成了太阳系的行星，小行星，彗星之类,如下图：
，直径 1392000 千米，质量 1.9x10^30 千克（占太阳系总质量的99.8%），光度（功率）3.9x10^26 瓦，在最初，只是一团被超新星爆炸甩出的气体罢了，其依据是太阳的元素构成（通过光谱的吸收线找出）（一颗超新星爆炸甩出的物质可以诞生数十个太阳一样的恒星，后面会说）。这一大团气体主要由氢构成，也包含了一部分的氦，碳，氧和金属。气压与温度支持着气体的体积，但是当气体团的【大概半径】（因为还不是球体，所以只是大概）超过Jeans length（实在找不到对应翻译
）时，一点点的外界干扰都会使这团气体【坍缩】，体积变小。但是由于角动量守恒，这团气体的形状慢慢变成了【中间厚，边缘薄】的盘状。后来中间厚的部分就成为了太阳，而边缘薄的就变成了太阳系的行星，小行星，彗星之类,如下图：
组成太阳的那团气体持续【坍缩】，直到达到足够的密度（事实上太阳虽然由气体（等离子态）构成，但是被自身质量压缩得密度比水还大，超过地球密度的四分之一），也达到了足够的温度，于是在其核心开始发生【氢聚变】。氢元素聚合产生氦元素和能量，而能量大多以光和热的形式，由太阳核心传递到了太阳表层，再由太阳表层传递到宇宙中，到地球和太阳系，乃至太阳外的其他星体。
值得注意的是，即使在核聚变里，能量也不会凭空产生，这些能量的产生是以质量减小为代价的所以太阳质量确实在减少，不过减少的有限。绝大部分的质量都由氢变成了氦，很小一部分质量消失并转化为了能量。
值得注意的是，即使在核聚变里，能量也不会凭空产生，这些能量的产生是以质量减小为代价的
所以太阳质量确实在减少，不过减少的有限。绝大部分的质量都由氢变成了氦，很小一部分质量消失并转化为了能量。
以核心发生氢聚变为能量产生方式的恒星是【主序星】，是恒星一生中持续时间最长的状态。太阳已经在主序星这个阶段燃烧了五十亿年，并将继续在主序星阶段呆五十亿年，保持着有趣的平衡：加速氢聚变→升温→膨胀→压力减小→降温→减速核聚变……
直到太阳核心的氢全部耗尽，平衡就此打破，太阳开始把核心之外（外层到表层）的氢元素进行核聚变，把形成的氦元素堆到恒星核心。恒心核心因此质量增加而升温，加速外层氢聚变并膨胀，恒星表层反而降温。这是太阳变成红巨星前的前戏
直到太阳核心的氢全部耗尽，平衡就此打破，太阳开始把核心之外（外层到表层）的氢元素进行核聚变，把形成的氦元素堆到恒星核心。恒心核心因此质量增加而升温，加速外层氢聚变并膨胀，恒星表层反而降温。这是太阳变成红巨星前的前戏
最后太阳中心就全是氦，又热得不行，压力还非常大（靠电子简并压苦苦支撑）。
高温高压超过了一个临界点，于是发生了【氦闪】（helium flash）
太阳中心发生氦聚变，把氦元素聚合成碳元素，并施放大量能量。
这导致太阳哇哇地膨胀,终于变成了红巨星
以下是太阳，地球和它未来变成的红巨星的对比：
科学家对太阳的红巨星阶段有诸多猜测，有些科学家认为太阳会大到吞没地球，有些甚至认为红巨星太阳可以大到达到木星轨道
高温高压超过了一个临界点，于是发生了【氦闪】（helium flash）
太阳中心发生氦聚变，把氦元素聚合成碳元素，并施放大量能量。
这导致太阳哇哇地膨胀,终于变成了红巨星
以下是太阳，地球和它未来变成的红巨星的对比：
科学家对太阳的红巨星阶段有诸多猜测，有些科学家认为太阳会大到吞没地球，有些甚至认为红巨星太阳可以大到达到木星轨道
很快，太阳把它中心的氦元素都耗尽了，开始把它外层的氦元素也开始核聚变成碳……
但这次玩脱了……太阳表层膨胀的太大以至于挣脱了引力的控制，外层气体都散逸掉了，变成了星云
于是，太阳爸爸就卒了变成了一个星云，中心是一颗白矮星，是原来太阳的核心。、
下图是科学家拍到的另一个类似太阳的恒星尸体——环状星云，其中心的亮点就是白矮星。
但这次玩脱了
……太阳表层膨胀的太大以至于挣脱了引力的控制，外层气体都散逸掉了，变成了星云于是，
太阳爸爸就卒了变成了一个星云，中心是一颗白矮星，是原来太阳的核心。、下图是科学家拍到的另一个类似太阳的恒星尸体——环状星云，其中心的亮点就是白矮星。
0.1倍太阳质量到8倍太阳质量的恒星，或者说核心质量是太阳核心1.4倍以下的恒星，最后都会形成白矮星。太阳的白矮星是碳质的，质量稍小于太阳的恒星不会引发氦聚变成碳，有可能形成氦质的白矮星。但不管怎样，白矮星密度非常大，达到每立方厘米1吨左右，是水的一百万倍，而且体积和地球差不多，还挺亮的。它发的光并不是源自核聚变，而只是因为它很热，而产生的【黑体辐射】（blackbody radiation），跟铁烧热了会烧红发光一个原理。
，而且体积和地球差不多，还挺亮的。它发的光并不是源自核聚变，而只是因为它很热，而产生的【黑体辐射】（blackbody radiation），跟铁烧热了会烧红发光一个原理。
白矮星会慢慢散去热量，不再发光发热，并最后成为一个黑矮星,一个漂浮在宇宙里的高密度星体。
而褐矮星（棕矮星）则是另一回事。褐矮星不是恒星的尸体，因为它根本就没成为过恒星！
褐矮星是质量小于0.1倍（一说0.077倍）太阳质量的星体（注意是质量不是体积！有些褐矮星比木星重得多，体积反而还小！）。它们的质量远大于任何行星，但又不够形成氢聚变，从一开始就没有变成恒星。由于黯淡，观测或者采集数据的难度相当大。
而褐矮星（棕矮星）则是另一回事。褐矮星不是恒星的尸体，因为它根本就没成为过恒星！
褐矮星是质量小于0.1倍（一说0.077倍）太阳质量的星体（注意是质量不是体积！有些褐矮星比木星重得多，体积反而还小！）。它们的质量远大于任何行星，但又不够形成氢聚变，从一开始就没有变成恒星。由于黯淡，观测或者采集数据的难度相当大。
而质量超过太阳八倍的恒星（或者核心质量超过太阳核心的3倍）不会变成白矮星。
它们的寿命比太阳短得多（几百万年），因为它们大量“挥霍‘它们的能量，所以很亮。
它们的引力非常大，所以膨胀成红超巨星或者蓝超巨星也不会散逸，而是继续不断地把小质量元素合成为大质量元素。
当这个恒星大哥生产出铁元素的时候（铁是结合能（binding energy）最大的元素，比铁小的元素最终会聚变成铁，比铁重的元素最终会裂变成铁），压力大到电子简并压再也撑不住了。所有的电子被压进了质子，形成了中子，并产生了【灾难性的】震荡波，这就是【超新星爆炸】
超新星爆炸会在一瞬间（其实长达数日，但是对于宇宙的时间尺度来说就是一瞬间的事）释放出碉堡了的能量，亮度会瞬间提升数亿至上千亿倍！如下图，一颗处于某星系边缘的超新星（黄箭头）居然和它所在的一整个星系（红箭头）差不多明亮！（其他的亮点是离我们近的多的，银河系内的星星）
它们的寿命比太阳短得多（几百万年），因为它们大量“挥霍‘它们的能量，所以很亮。
它们的引力非常大，所以膨胀成红超巨星或者蓝超巨星也不会散逸，而是继续不断地把小质量元素合成为大质量元素。
当这个恒星大哥生产出铁元素的时候（铁是结合能（binding energy）最大的元素，比铁小的元素最终会聚变成铁，比铁重的元素最终会裂变成铁），压力大到电子简并压再也撑不住了。所有的电子被压进了质子，形成了中子，并产生了【灾难性的】震荡波，这就是【超新星爆炸】
超新星爆炸会在一瞬间（其实长达数日，但是对于宇宙的时间尺度来说就是一瞬间的事）释放出碉堡了的能量，亮度会瞬间提升数亿至上千亿倍！如下图，一颗处于某星系边缘的超新星（黄箭头）居然和它所在的一整个星系（红箭头）差不多明亮！（其他的亮点是离我们近的多的，银河系内的星星）
之前说到超新星爆炸时，压力大到电子简并压都撑不住了。所有的电子被压进了质子，形成了中子。
当恒星质量在太阳的8-20倍之间时，电子简并压虽然崩溃了，但是中子简并压顽强地支撑了下来。所以在超新星爆炸后，所有的中子紧紧地挨在一起，支撑住了体积，并形成了中子星。我们现在能观测到的中子星都是脉冲星，中子星的一种。巧的是，我最近天文课正好还在做脉冲星的研究：
说实话，美国人的软件做的好垃圾满满的九十年代垃圾软件的感觉……
总之，脉冲星碉堡了！密度达到了不可思议的每立方厘米数亿吨
这是什么概念？一栋小别墅如果有这个密度，就和地球差不多重了……
真正的脉冲星大概有10千米的半径，更吊的是很多脉冲星的自转速度达到了每秒上千转！
想象一个10公里大的巨球，每秒转千次……想想都鬼畜
脉冲星的密度如此之大，以至于它非常明显地扭曲了周围的时空，连光都是呈抛物线从脉冲星逃逸。然而脉冲星的磁极方向释放出大量的电磁波，也因此得名。
当恒星质量在太阳的8-20倍之间时，电子简并压虽然崩溃了，但是中子简并压顽强地支撑了下来。所以在超新星爆炸后，所有的中子紧紧地挨在一起，支撑住了体积，并形成了中子星。我们现在能观测到的中子星都是脉冲星，中子星的一种。巧的是，我最近天文课正好还在做脉冲星的研究
：说实话，美国人的软件做的好垃圾
满满的九十年代垃圾软件的感觉……总之，脉冲星碉堡了！密度达到了不可思议的每立方厘米数亿吨
这是什么概念？一栋小别墅如果有这个密度，就和地球差不多重了……
真正的脉冲星大概有10千米的半径，更吊的是很多脉冲星的自转速度达到了每秒上千转！
想象一个10公里大的巨球，每秒转千次……想想都鬼畜
脉冲星的密度如此之大，以至于它非常明显地扭曲了周围的时空，连光都是呈抛物线从脉冲星逃逸。然而脉冲星的磁极方向释放出大量的电磁波，也因此得名。
夸克星目前还是理论，尚未得到大量观测证实，所以暂且不提。
而黑洞，虽然百年以来有诸多争议，但是目前科学界普遍认为：
大于太阳质量30倍的恒星，发生超新星爆炸后，恐怖的压力连中子简并压都撑不住了，所有物质发生了剧烈的坍缩,体积变为了0（一说或接近于0），是为黑洞。如此大的密度扭曲了时空，导致在一定区域内连光都无法逃逸，这区域被称为事件视界（就是下图中心黑的部分）。
当然，现在的理论认为，事件视界的边缘形成的正反粒子对会发生一个被吸引进去，而另一个逃逸的情况，从而产生霍金辐射，挥发掉黑洞的质量和能量。关于这个我也不细讲了，有人问我再回吧。
而黑洞，虽然百年以来有诸多争议，但是目前科学界普遍认为：
大于太阳质量30倍的恒星，发生超新星爆炸后，恐怖的压力连中子简并压都撑不住了，所有物质发生了剧烈的坍缩,体积变为了0（一说或接近于0），是为黑洞。如此大的密度扭曲了时空，导致在一定区域内连光都无法逃逸，这区域被称为事件视界（就是下图中心黑的部分）。
当然，现在的理论认为，事件视界的边缘形成的正反粒子对会发生一个被吸引进去，而另一个逃逸的情况，从而产生霍金辐射，挥发掉黑洞的质量和能量。关于这个我也不细讲了，有人问我再回吧。
美东现在换到冬令时了，所以楼主来晚了，现在就更，更完睡觉
昨晚我讲的是恒星的一生，从诞生到毁灭的过程，但是科学家是怎么得出这些结论的呢？或者说他们用了什么方法总结与归纳，研究恒星的呢？
今天我就来介绍比较进阶的内容，对恒星研究至关重要的一个方法：
H-R图像（Hertzsprung–Russell diagram）
内容有点偏难，也比较枯燥，所以各位吧友能看下去就看，看不下去……也给我看
昨晚我讲的是恒星的一生，从诞生到毁灭的过程，但是科学家是怎么得出这些结论的呢？或者说他们用了什么方法总结与归纳，研究恒星的呢？
今天我就来介绍比较进阶的内容，对恒星研究至关重要的一个方法：
H-R图像（Hertzsprung–Russell diagram）
内容有点偏难，也比较枯燥，所以各位吧友能看下去就看，看不下去……也给我看
首先，我先介绍恒星的光谱分类，根据温度从高到低分为：
O、B、A、F、G、K、M 七类，很蛋疼的字母顺序……我们天文教授为了让我们记住这个顺序，变了个顺口溜 Oh Be A Fine Girl Kiss Me……所以做作业的时候大家就一直在数着念叨着girl kiss me……girl kiss me……
O、B、A、F、G、K、M 七类，很蛋疼的字母顺序……我们天文教授为了让我们记住这个顺序，变了个顺口溜 Oh Be A Fine Girl Kiss Me……所以做作业的时候大家就一直在数着念叨着girl kiss me……girl kiss me……
还有，恒星的颜色和温度也有关，天文界常用b-v来测量恒星的颜色。
b指的是blue,恒心散发的蓝光，v指的是visible（可见光）的平均波长，也就是黄绿光。
b-v小于0的恒星很蓝，温度很高，亮度很高，一般属于O,B型恒星。
b-v在0-1之间的恒星是白色/黄色的，比如我们淡黄色的太阳，温度一般，亮度一般，一般属于A,F,G类恒星。
b-v大于1的恒星是橙色/红色的，温度低，亮度低，术语K/M类恒星。
b指的是blue,恒心散发的蓝光，v指的是visible（可见光）的平均波长，也就是黄绿光。
b-v小于0的恒星很蓝，温度很高，亮度很高，一般属于O,B型恒星。
b-v在0-1之间的恒星是白色/黄色的，比如我们淡黄色的太阳，温度一般，亮度一般，一般属于A,F,G类恒星。
b-v大于1的恒星是橙色/红色的，温度低，亮度低，术语K/M类恒星。
总结一下，OBAFGKM从O到M，温度从高到低，颜色从蓝到红。
所以这就是H-R图像的横轴。这个横轴可以是分类，也可以是温度，也可以是颜色，因为这三者其实是一回事。而H-R图像的竖轴，是光度（通俗说可以理解为亮度），单位是太阳光度，也就是说，和太阳一样亮的，光度为1；十倍亮的，光度为10。
当然，这里的亮度是绝对星等（参见我上周的第一帖：星等），科学家通过恒星的相对亮度和距离算出恒星的绝对亮度，作为Y轴的值；通过光谱算出恒星的温度与颜色，作为X轴的值，并归纳在H-R图像里，像这样：
所以这就是H-R图像的横轴。这个横轴可以是分类，也可以是温度，也可以是颜色，因为这三者其实是一回事。而H-R图像的竖轴，是光度（通俗说可以理解为亮度），单位是太阳光度，也就是说，和太阳一样亮的，光度为1；十倍亮的，光度为10。
当然，这里的亮度是绝对星等（参见我上周的第一帖：星等），科学家通过恒星的相对亮度和距离算出恒星的绝对亮度，作为Y轴的值；通过光谱算出恒星的温度与颜色，作为X轴的值，并归纳在H-R图像里，像这样：