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赫罗图

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赫罗图
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  恒星光谱型和光度的关系图,是丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家H.N.罗素创制的。赫茨普龙在1905年和1907年的论文中指出,一般蓝星是亮的,而红星却有亮、暗两种;他把亮星称为巨星,把暗星称为矮星。1911年他测定了几个银河星团(如昴星团毕星团)中的恒星的光度和颜色,并将这二者作为纵坐标和横坐标。结果表明,这些星点大都落在一条连续带上,其余的星(巨星)则形成小群。1913年H.N.罗素研究了恒星的光度和光谱,并画出一系列表明恒星光度和光谱型之间的关系图(图1)。经过对比,发现颜色等价于光谱型或表面温度。他们两人的图所表示的是同一回事,因此,后来将这类光度-颜色(光谱型或表面温度)图称为赫茨普龙-罗素图,简称赫罗图。

  用宽波段UBV测光系统测定暗星的颜色,比用光谱方法容易得多,所以后来逐渐用色指数代替光谱型作为赫罗图的横坐标。色指数可转换成表面温度;观测得到的视星等,经过距离改正后成为绝对星等(见星等),可再转换为光度。有了星的表面温度和光度,理论工作者便可以计算恒星的内部结构,也就是建立所谓恒星模型。随着时间的推移,恒星的内部结构逐渐演变,并在它的光度和表面温度(简称温度)上表现出来,这样,恒星在赫罗图上的位置便沿一定路径移动,描出“演化程”。因此,赫罗图不仅能给各类型恒星以特定的位置,而且能显示出它们各自的演化程,成为研究恒星必不可少的重要手段之一。
  赫罗图中的恒星不是平均分布,而是形成一定的序列的,因为光度和表面温度之间存在着内在的关系:如果压力、不透明度和产能率只是温度、密度和化学成分的函数,那么恒星的结构由它的质量和化学成分决定;如果化学成分给定,则每一恒星质量便对应着一定的光度和温度值。因而只要在某一质量范围内存在着光度和温度的关系,在赫罗图上就会出现相应的序列。同样质量范围内的恒星,在赫罗图上出现在不同的序列,必然是由化学成分不同引起的;而化学成分的不同可以是原始化学成分的不同,也可以是恒星处在不同的演化阶段。因此,赫罗图中的一些序列,可以用来研究恒星的形成和演化
  图2是太阳附近,6,700颗恒星的赫罗图。图中有两个密集序列,一个从左上向右下,称为主星序,也称矮星序;另一个是相当密集的一群星,接近右上角,差不多呈水平走向,称为巨星序。此外,还有不少星分散在图的上部,称为超巨星序。主星序下面是亚矮星序。图的底部有一特殊分支,称为白矮星序。巨星序和矮星序并不相接,中间留有相当明显的空隙,称为赫氏空区,只有为数很少的恒星落在空区以内。图2中的图形受到不少测量误差的影响。首先,恒星沿着若干垂直线密集并不是真实的物理图像,只是恒星光谱分类不连续的结果。实际上,光谱判据连续地变化,所以两大序列的分布应是很匀滑的。其次,恒星的距离也有颇大的不确定性,根据这种距离把视星等转换为绝对星等也会有一定误差。再者,暗星的视星等精度不够,而且确定一颗星的光谱型也并非易事。这些误差加在一起,就产生了主星序两个坐标方向的弥散。值得注意的是,图上画的是绝对星等和光谱型。哈佛光谱型星表HD所载恒星的视亮度有其限度。因此,这幅图能够充分反映在很远的距离仍能看见的真正的亮星,而不能充分反映在较近的距离还看不见的暗星。恒星的质量差别不大,大多数恒星的质量在太阳质量0.1~10倍范围内。恒星的化学成分的差别也不大,按质量计,大致氢占71%,氦占27%,其他重元素占2%。所以,取决于质量和化学成分的恒星结构在图2中呈现出明显的规律性。恒星密集的区域代表它们演化缓慢的阶段,主星序是演化最慢的阶段,大致占恒星寿命的90%。

  为了免受恒星化学成分不同和年龄不同这两个因素的影响,我们可举星团的赫罗图来说明。图3是昴星团的赫罗图。在这个星团内形成的恒星,可以认为它们的化学成分和年龄是相同的。再者,一般星团各成员星离地球的距离基本相同,这样,观测到的成员星的视星等差值也就是它们绝对星等的差值,不受距离误差的影响。星团距离的不确定性导致绝对星等的零点不确定,只能使整个图上下移动,而不会影响图中星点的相对位置。图3中的星点代表昴星团的主星序,图中没有红巨星,表示昴星团年龄还轻,其成员星还没有演化到脱离主星序的阶段。图3中主星序的弥散度远比图2中的小得多,因为后者受各种因素的影响。

  最后,看一看不同化学成分的星团在赫罗图上的分布。图4画出银河星团M67的成员星同两个球状星团M3和M92的成员星在赫罗图上的位置,以便进行比较。它们都是年老的星团,但M67属于星族I,M3和M92属于星族Ⅱ。星族Ⅰ的星含重元素较多,占总质量的2~3%,而星族Ⅱ的星所含的重元素的含量仅占0.1~0.2%,或更少。图中左下方的黑粗斜线代表主星序,3个星团巨星支都从主星序相同的部位脱离,表明它们的年龄相近(约为4×109~6×109年)。M3有明显的水平支,这是球状星团的一般特征。

  赫罗图使人们获得大量信息。除了上述的两个星序外,各种类型的变星也有特定区域。此外,还可以利用星团在赫罗图上的“转向点”来估计星团的年龄和距离。不同质量的星族Ⅰ和星族Ⅱ的星,在赫罗图上都有它们特定的演化程序。
  参考书目
 H.Y.Chiu and A.Muriel,Stellar Evolution,MIT Press, Cambridge, 1972.
 A.G.D.Philip and D.S.Hayes eds,The HR Diagram,IAU Symposium, No. 80,D.Reidel Publ.Co.,Dordrecht,Holland,1978.

 

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