22.E：从青春期到晚年的明星（运动）

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为了进一步探索

文章

Balick，B. & Frank，A. “普通星星的非凡死亡。” 《科学美国人》（2004年7月）：50。关于行星星云、低质量恒星的最后一口气以及我们自己的太阳的未来。

Djorgovsky，G. “球状星团的动态生活。” 天空与望远镜（1998 年 10 月）：38。星团进化和蓝色流浪星。

弗兰克，A. “愤怒的宇宙巨人。” 天文学（1997 年 10 月）：32。关于像 Eta Carinae 这样的发光蓝色变量。

Garlick，M. “地球的命运。” 天空与望远镜（2002 年 10 月）：30。当我们的太阳变成红色巨人时会发生什么。

Harris，W. & Webb，J. “球状星团内的生命。” 天文学（2014 年 7 月）：18。那里的夜空会是什么样子？

Iben，I. & Tutokov，A. “星星的生活：从出生到死亡及以后。” 天空与望远镜（1997 年 12 月）：36。

Kaler，J. “银河系中最大的恒星。” 天文学（1990 年 10 月）：30。在红色超级巨星上。

Kalirai，J. “太阳命运的新亮点。” 天文学（2014 年 2 月）：44。像我们的太阳这样的恒星在主序列和白矮星阶段之间会发生什么。

Kwok，S. “环状星云的真实形状是什么？” 天空与望远镜（2000 年 7 月）：33。从不同的角度看行星星云。

Kwok，S. “恒星变态。” 天空与望远镜（1998 年 10 月）：30。行星星云是如何形成的。

Stahler，S. “星团的内在生活。” 《科学美国人》（2013年3月）：44—49。所有恒星是如何在星团中诞生的，但不同的星团的进化方式不同。

Subinsky，R. “大概有 47 个 Tucanae。” 天文学（2014 年 9 月）：66。我们对这个球状星团的了解以及如何看待它。

网站

英国广播公司巨星专页：www.bbc.co.uk/science/space/u... ts/giant_stars。包括基本信息和简短视频摘录的链接。

Encylopedia Brittanica 关于星团的文章：http://www.britannica.com/topic/star-cluster。由天文学家海伦·索耶·霍格-普里斯特利撰写。

哈勃图片库：行星星云：http://hubblesite.org/gallery/album/nebula/planetary/。单击每张图片可转到包含更多可用信息的页面。（另请参阅国家光学天文台的类似画廊：www.noao.edu/image_gallery/p... y_nebulae.html）。

哈勃图片库：Star Cluster s：http://hubblesite.org/gallery/album/... /star_cluster/。当您点击每张图片时，它都带有解释性标题。（另请参阅类似的欧洲南方天文台画廊，网址为：www.eso.org/public/images/ar... /starclusters/)。

测量星团的年龄：www.e-education.psu.edu/astr... ent/l7_p6.html。来自宾夕法尼亚州立大学

视频

星空生命周期：https://www.youtube.com/watch?v=PM9CQDlQI0A。英国物理研究所与天文学家蒂姆·奥布赖恩合著的恒星演化简短摘要（4:58）。

任务无与伦比地看看 Superstar Eta Carinae：https://www.youtube.com/watch?v=0rJQi6oaZf0。美国宇航局戈达德关于2014年的观测结果以及我们对这个复杂系统中两颗恒星的了解的视频（4:00）。

星团：开放星团和球状星团：https://www.youtube.com/watch?v=rGPRLxrYbYA。 Hubblecast 2007-2008 年关于涉及星团的发现的三段简短视频（12:24）。

行星星云之旅 NGC 5189：https://www.youtube.com/watch?v=1D2cwiZld0o。 Joe Liske 的 Hubblecast 简短剧集，解释了行星星云，特别是一个例子（5:22）。

协作小组活动

你的小组有没有看过附录 J 中天空中最亮的恒星列表，其中有多少已经过了进化的主序列阶段？文字说，恒星生命周期的90％都在进化的主序列阶段度过。这表明，如果我们有公平（或代表性）的恒星样本，则其中90％应该是主序列恒星。你的小组应该集思广益，为什么 90% 的最亮的恒星没有处于进化的主序列阶段。
读取 H—R 图可能很棘手。假设你的小组得到了星团的 H—R 图。主序列上方和右侧的恒星可能是已经从主序列进化的红色巨星，或者是仍在向主序列进化的非常年轻的恒星。讨论你将如何决定他们是谁。
在 “宇宙中的生命” 一章中，我们讨论了目前正在进行的一些工作，以寻找来自其他恒星周围可能的智能文明的无线电信号。我们目前进行此类搜索的资源非常有限，银河系中有许多恒星。你的小组是由国际天文学联盟成立的一个委员会，负责制定一份最好的恒星清单，开始这种搜索应该从中开始。列出选择名单上星星的标准，并解释每个参赛作品背后的原因（请记住我们在本章中讨论的关于恒星生活故事和时间尺度的一些想法）。
让你的小组列出为什么在宇宙一开始（宇宙大爆炸之后不久）形成的恒星无法让天文学学生阅读天文学教科书（即使恒星的质量与我们的太阳的质量相同）的原因。
既然我们很确定当太阳变成巨星时，地球上的所有生命都会被消灭，那么你的团队认为我们应该开始做任何准备吗？假设一位政治领袖在天文学课的大部分时间里都睡着了，突然从一个大型捐赠者那里听说了这个问题，并任命你的小组为工作组，就如何为地球末日做准备提出建议。列出一个论点清单，说明为什么没有必要设立这样一个工作组。
使用星形图来确定每年这个时候至少有一个可见的开放集群。（此类图表可以在每月的《天空与望远镜》和《天文学》杂志及其网站上找到；见附录B。） Pleiades 和 Hyades 是秋季的好主题，而 Praesepe 则适合春季观看。出去用双筒望远镜看看这些星团，描述一下你所看到的。
许多天文学家认为，行星星云是我们在银河系中能看到的最有吸引力和最有趣的物体之一。在本章中，我们只能向您展示几个用哈勃望远镜或大型望远镜在地面上拍摄的这些物体的照片的示例。让你的小组成员在网上进一步搜索行星星云图像，并列出你最喜欢的行星星云图像的 “前十名” 列表（不要包括本章中介绍的超过三张）。为全班同学做一份报告（附图片），解释为什么你觉得前五名特别有趣。（在此过程中，您可能需要查看第 22.4 节\(22.4.4\)中的图。）

查看问题

比较人类和恒星生命中的以下阶段：产前、出生、青春期/成年、中年、老年和死亡。质量相当于太阳的恒星在每个阶段会做什么？
一颗质量大约相当于我们太阳质量的恒星会排出其核心中的氢气，并通过将氢气核聚变为氦气而停止能量的产生，会发生什么样的第一个事件？描述恒星经历的一系列事件。
天文学家发现，在天空中观测到的恒星中有90％位于H—R图的主序列上；为什么这有意义？为什么巨型和超级巨型区域的恒星要少得多？
描述质量与太阳相似的恒星从原恒星阶段到它第一次变成红色巨人时的演变过程。用文字进行描述，然后在 H—R 图上勾勒出演变情况。
描述一颗质量与太阳相似的恒星的演变，从它最初变成红色巨人之后到它耗尽其核心能够融合的最后一种燃料的时候。
在 H—R 图中，恒星通常被描述为 “移动”；为什么要使用这种描述以及恒星到底发生了什么？
在 H—R 图上，零年龄主序列将位于主序列波段的哪个边缘？
在 H—R 图上，恒星通常是如何 “移动” 主序列波段的？为什么？
某些恒星，例如 Betelgeuse，其表面温度低于太阳，但发光度更高。这些恒星如何产生比太阳多得多的能量？
重力总是试图使恒星的质量朝向其中心倾斜。什么机制可以抵御恒星的这种引力崩溃？在恒星生命的哪个阶段，它们之间会有 “平衡”？
为什么星团对想要研究恒星演变的天文学家如此有用？
过去，太阳更有可能成为球状星团或开放星团的成员吗？
假设你收到了两个不同星团的两张 H—R 图：图 A 的大部分恒星绘制在主序列的左上角，其余的恒星不在主序列中；而图 B 的大部分恒星绘制在主序列的右下角主序列中的其余星星。哪张图适用于较旧的集群？为什么？
参考前面练习中的 H—R 图，哪个逻辑示意图更有可能是关联的 H—R 图？
将氦气融合成碳的核过程通常被称为 “三α过程”。为什么这样称呼它，为什么它必须在比将氢气融合成氦气的核过程高得多的温度下发生？
各种行星星云的照片显示出各种形状，但天文学家认为大多数行星星云具有相同的基本形状。如何解释这个悖论？
描述与恒星相关的两种 “回收” 机制（一种在每颗恒星的生命周期中，另一种连接几代恒星）。
在这些恒星群中，你最有可能发现其中恒星的重元素丰度最少：开放星团、球状星团或关联？
解释如何使用星团中恒星的 H—R 图来确定星团的年龄。
你大学校园树干中的碳原子最初是从哪里来的？传说中的 “百老汇的霓虹灯” 中的霓虹灯最初来自哪里？
什么是行星星云？我们在太阳周围会有一个吗？

思想问题

太阳在零时代主序列上吗？解释你的答案。
行星星云如何与教室里的荧光灯泡相提并论？
太阳系中哪些行星的轨道小于第 22.1 节表中列出的 Betelgeuse\(22.1.2\) 的光圈半径？
你会指望在球状星团生命初期形成的质量非常低的恒星周围找到一颗类似地球的行星（有固体表面）吗？解释一下。
在一些年轻星团的 H—R 图中，亮度非常低和非常高的恒星位于主序列的右边，而亮度中等的恒星位于主序列上。你能解释一下吗？为这样的聚类绘制一个 H—R 图。
如果太阳是星团 NGC 2264 的成员，它会出现在主序列上吗？为什么或者为什么不呢？
如果星团中的所有恒星的年龄几乎相同，为什么星团在研究进化效应（恒星生命的不同阶段）方面有用？
假设一个星团的距离如此之远，以至于它在望远镜中以未解决的光点的形式出现。如果它是在星团形成后立即出现的图像，你会期望这个斑点的整体颜色是什么样的？ 10 到 ¹⁰ 年后，颜色会有何不同？为什么？
假设一位以开玩笑而闻名的天文学家告诉你，她在我们的银河系中发现了一颗不含比氦气重的元素的 O 型主序列恒星。你会相信她吗？为什么？
质量约为太阳质量0.8倍的恒星需要大约180亿年才能变成红色巨星。这与当前的宇宙时代相比如何？你会期望找到一个主序列关闭太阳质量或更小于0.8的恒星的球状星团吗？为什么或者为什么不呢？
汽车通常被用作类比，以帮助人们更好地理解与质量较小的恒星相比，质量更大的恒星的主序列寿命要短得多。你能用汽车来解释这样的比喻吗？

自己搞清楚

文字说，恒星在主序列的生命周期中其质量变化不大。当它处于主序列时，恒星会将最初存在的大约10％的氢气转化为氦气（请记住，只有恒星的核心足够热，足以进行聚变）。请看前面的章节，了解聚变中涉及的氢质量中有多少百分比是由于转化为能量而损失的。由于聚变，整颗恒星的质量会发生多大变化？我们说恒星在主序列上的质量没有显著变化是正确的吗？
文中解释说，巨型恒星的寿命比低质量恒星短。尽管巨型恒星有更多的燃料可以燃烧，但它们的消耗速度比低质量恒星快。你可以检查一下这个说法是否正确。恒星的寿命与其所含的质量（燃料）量成正比，与它消耗燃料的速率（即亮度）成反比。由于太阳的寿命约为10 ¹⁰ y，我们有以下关系：\[T=10^{10} \frac{M}{L} \text{ y} \]哪里\(T\)是主序列恒星的寿命，\(M\)是用太阳的质量来衡量的质量，\(L\)是用太阳的亮度来衡量的亮度。
1. 用文字解释这个方程为什么起作用。
2. 使用第 18.4 节表格\(18.4.2\)中的数据计算所列主序列恒星的年龄。
3. 低质量恒星的主序列寿命会更长吗？
4. 你得到的答案与第 22.1 节表\(22.1.1\)中的答案相同？
您可以在上一个练习\(\PageIndex{1}\)中使用方程来估计图\(22.3.3\)、图和图中聚类的大致年龄\(22.3.5\)\(22.3.6\)，全部在第 22.3 节中。使用图中的信息来确定仍在主序列上质量最大的恒星的亮度。现在使用第 18.4 节表\(18.4.2\)中的数据来估计这颗恒星的质量。然后计算集群的寿命。这种方法与天文学家用来获取星团年龄的程序类似，不同之处在于他们使用实际的数据和模型计算，而不是简单地根据图纸进行估计。你的年龄与文字中的年龄相比如何？
你可以在第 22.4 节图中的图\(22.4.3\) (c) 中估计行星星云的年龄。星云的直径是我们自己太阳系直径的600倍，约合0.8光年。气体正在以大约 25 mi/s 的速度从恒星膨胀。考虑到该距离 = 速度 × 时间，如果气体速度一直保持不变，则计算气体在多久之前离开恒星。确保使用一致的时间、速度和距离单位。
如果恒星A有核心温度\(T\)，而恒星B有核心温度\(3T\)，那么与恒星B的聚变速率相比如何？