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恒星物理学

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  天体物理学分支之一。它是应用物理学知识,从实验和理论两方面研究各类恒星的形态、结构、物理状态和化学组成的一门学科。从另一方面讲,在恒星上发现的某些奇特物理现象,也能够启发和推动现代物理学的发展。
  研究方法 
 一般的恒星都是炽热的气体球。研究恒星所必需的一切资料几乎全部来自恒星自身的电磁辐射,近年来才开始有可能检测它们的高能粒子和引力波效应。因此,人们主要使用光学、红外线、射电和X射线等各种天文望远镜以及所附的照相装置、光电装置、分光装置、偏振装置、热检测装置、微波检测装置、频谱检测装置、能谱检测装置等去测量各类恒星在不同波段上的辐射强度、能谱、谱线结构、偏振状态、角直径、角间距、视面结构和角位移等物理量。然后,应用热辐射理论,可以推出恒星表面的有效温度(见恒星温度);应用谱线位移和一定的几何方法,可以确定恒星自转特性、双星特性或脉动特性(结合光度变化特性),再利用引力理论、辐射理论和脉动理论,可推出双星轨道半长径、子星半径、子星质量(或质量函数)及脉动变星的平均半径和平均密度等;应用谱线的形成和致宽理论,可以推出恒星大气的电子压力、气体压力、不透明度元素的丰度以及恒星的光度;应用核物理理论,可以推知恒星的产能机制及其变迁,再结合辐射转移理论就可建立恒星模型,用以研究恒星内部结构理论;应用塞曼效应,可推知恒星磁场;应用引力理论、粒子理论,可以探讨恒星晚期超密态的各种现象(见超密态物质);应用等离子体理论,可以探讨星冕、星风质量交流质量损失等恒星大气现象;最后,综合应用各种物理理论,可以探讨恒星的形成和演化
  主要研究内容  恒星大气的观测和理论研究  恒星大气是我们能直接观测到的恒星外层部分。应用分光技术,依照辐射平衡局部热动平衡的辐射转移理论和恒星大气模型理论,可以在一定程度上解释连续光谱、吸收光谱和发射光谱的形态(见恒星光谱),探明它们的形成机制、演变过程和致宽因素,并弄清楚大气中光球、反变层、色球层、星冕等不同层次的物理状况和相互关系,以及大气中的元素丰度等,还可以研究恒星自转,并根据较差自转来探讨恒星大气内层的情况。
  恒星内部结构的研究  研究恒星内部从中心到表面各层的物态和物理过程,探讨恒星内部输送能量和维持温度梯度的物理机制,根据研究结果解释观测到的恒星质量、光度、半径和表面温度等的时序变化和相互关系。
  恒星的能源和核合成的研究  确定产能和维持恒星不断辐射的核物理过程,探讨元素合成理论以解释现有的元素丰度。目前较流行的是1957年由伯比奇夫妇、福勒和霍伊尔联合提出的理论,简称B2FH理论。
  恒星脉动现象的观测和研究  许多恒星有脉动性的光变。理论研究表明,脉动现象是恒星演化到一定阶段(多为赫罗图红巨星或红巨星后的水平支阶段)的必然现象。根据最重要的几种脉动变星周光关系,可以确定恒星和许多有关天体的距离。利用线性和非线性脉动理论,可以较好地解释恒星的脉动现象。
  恒星爆发现象的观测和研究  多种恒星有不同能量级的爆发现象。从年轻的耀星金牛座T型变星到老年和临近“死亡”的新星超新星,都有爆发现象。关于各类爆发的物理机制还不十分清楚,需要积累更多更完善的观测资料,并进行更深入的理论分析。对于新星的爆发和许多类似的其他星体的爆发,许多人试图采用双星模型进行解释。
  双星系统的观测和研究  双星是恒星世界的普遍现象,估计银河系中太阳附近半数以上的恒星是双星或聚星的子星。根据长期的目视、照相、光度和分光观测,可以定出恒星最基本的物理参量:质量和半径。密近双星系统中存在大量的质量交流。这种交流所引起的气流、气环热斑、X射线爆发和新星爆发现象等,在光谱和光度变化中都有所反映,因而对研究引力相互作用、辐射相互作用、物质相互作用和恒星演化过程等都很重要。
  致密星的观测与相对论  根据流行的演化学说,晚期恒星因引力坍缩而成为密度大到 105克/厘米3以上的致密星,即白矮星中子星黑洞。已观测到的白矮星有上千颗,被认为是中子星的脉冲星也已发现数百颗,但是黑洞则尚在探寻之中。所有这些天体的研究都与广义相对论密切相关,同时也是对广义相对论的检验。对天鹰座射电脉冲星双星PSR1913+16所进行的观测研究,有可能证实广义相对论预言过的引力波
  发展动向  近年来恒星物理学在实测方面的一个重要发展是全波段观测的逐渐推广。射电、大气外的X射线、远紫外线和红外线观测,大大丰富了我们关于恒星辐射和恒星表层物理的知识,并且发现了X射线新星和X射线双星等新天体,因而理论研究十分活跃。现在看来,有关密近双星系统的观测和理论研究,是解决许多恒星物理学问题的一把钥匙。
  由于对耀星研究的深入,加上光斑干涉等超高分辨率和高精度光电视向速度分光仪等观测技术的发展(见天体视向速度测量),我们已经能够把当作点源的恒星与作为面源的太阳进行真正的类比研究。另一方面,由于有了大望远镜和其他新技术,我们已经能够对若干最近的星系(如大小麦哲伦云)内的各类恒星进行较详细的观测研究,从而把它们与银河系内的同类型恒星进行对比,这样就能更好地了解天体化学组成对演化进程的影响。
  核物理学和基本粒子物理学的发展,加上大型快速电子计算机的广泛应用,推动人们进一步研究恒星的内部结构、元素合成和演化过程。关于中微子的矛盾(见中微子天文学)是一个值得重视的问题。脉冲星的发现,给理论家们以巨大的鼓舞。广义相对论和各种引力理论又重新活跃起来,被广泛应用于晚期恒星的研究。
  参考书目
 H.Y. Chiu and A. Muriel,Stellar Evolution,MIT Press, Cambridge,1972.

 

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