A 級物理/宇宙學/恆星和星系

宇宙由數百萬顆恆星組成，這些恆星被組合在一起形成星系。

NGC 4414，是一個典型的螺旋星系。

恆星

恆星，就像我們的太陽，是巨大的氫聚變反應堆，在數百萬年內產生大量的能量。

恆星的誕生

歐米茄星雲包含許多年輕的恆星，使其發光。

恆星開始於星際氣體雲，在那裡，粒子透過萬有引力相互吸引。這些氣體雲主要由氫和氦組成，不過較新的恆星將包含來自較老（現在已經死亡）恆星的更重的元素。

隨著質量變重，引力越來越強。現在形成了一個原恆星，它是一個區域性原子濃度，其大小足以形成一顆恆星，並且開始升溫，因為損失的引力勢能轉化為熱動能。

當溫度達到約$10^{6}K$時，核心足夠熱以發生氫聚變。隨著時間的推移，恆星會穩定其溫度，其中其表面釋放的能量速率與其核心產生的能量速率相匹配，並且會穩定其大小，其中熱反應的向外壓力與其向內的引力相匹配。

現在恆星成為主序星，並將從氫中產生能量數百萬年。請注意，由於質量更大的恆星“燃燒”氫的速度快得多，因此它們的壽命遠小於質量較小的恆星。

恆星內部的核聚變

恆星主要由氫組成，用於聚變反應，這些反應產生了幾乎所有能量。在這個過程中，四個氫核融合形成一個氦核。但是，這不會直接發生，實際上是分階段發生的

• 兩個質子融合形成一個氘核，並釋放出一箇中微子和一個正電子。

$\ _{1}^{1}H+\ _{1}^{1}H\rightarrow \ _{1}^{2}H+v+\ _{1}^{0}e$

• 氘核與另一個質子融合，產生一個氦-3核。

$\ _{1}^{1}H+\ _{1}^{2}H\rightarrow \ _{2}^{3}He$

• 兩個氦-3核融合產生氦-4核。釋放了兩個質子。

$\ _{2}^{3}He+\ _{2}^{3}He\rightarrow \ _{2}^{4}He+2_{1}^{1}H$

釋放的能量

釋放的能量可以透過$E=mc^{2}$計算，其中$m$是質量虧損，即子核與母核之間的質量差。在聚變的情況下，母核的總質量總是大於子核的總質量。

紅巨星

當一顆恆星中大部分的氫都耗盡時，它將無法維持平衡。氦核將收縮，氫燃燒將在圍繞核心的一層殼中繼續。由於核心收縮時引力勢能損失，熱動能將增加。這種增加導致恆星本身膨脹。恆星不再是主序星，而是紅巨星。

紅巨星內部的氦燃燒

由於紅巨星核心溫度升高，當溫度達到約1億開爾文時，將發生“氦燃燒”。與“氫燃燒”一樣，“氦燃燒”也分階段進行。

• 兩個氦原子核融合形成一個鈹原子核。

$2He\rightarrow Be$

• 另一個氦原子核與鈹原子核融合，產生一個碳原子核和一個伽馬光子。

$Be+He\rightarrow C+\gamma$

• 另一個氦原子核與碳原子核融合，形成一個氧原子核和另一個伽馬光子。

$C+He\rightarrow O+\gamma$

紅巨星中的進一步聚變反應

質量大於太陽質量三倍的更重的紅巨星可以達到更高的溫度，從而發生更重元素的聚變。

• 在6億開爾文時，發生“碳燃燒”，產生氖和鎂原子核。
• 在10億開爾文時，發生“氖燃燒”，產生氧和鎂原子核。
• 在15億開爾文時，發生“氧燃燒”，產生矽原子核。
• 在30億開爾文時，發生“矽燃燒”，產生鐵原子核。

在鐵之後，核聚變不再產生能量，因此熱核反應停止。比鐵重的元素是在超新星中產生的，因為它們需要周圍環境的能量輸入，而較輕元素的聚變則不需要。

恆星的死亡

當核心溫度過低，無法開始下一個熱核反應時，恆星將變得不穩定。恆星生命週期的下一步取決於錢德拉塞卡極限，它等於太陽質量的1.4倍。

質量小於錢德拉塞卡極限的恆星

NGC 6543，也被稱為貓眼星雲

當恆星變得不穩定時，它會拋射出外層的氣體，形成行星狀星雲（之所以這樣命名是因為它們曾經被認為類似於行星，但它們與行星沒有任何關係）。核心本身會收縮並變得更加緻密，密度會大到一茶匙的質量就有好幾噸。當緊密排列的電子的費米壓阻止進一步的坍縮時，核心將停止收縮。這個緻密但暗淡的恆星現在變成了白矮星。核心不再有能量，白矮星將逐漸輻射掉所有能量並冷卻下來，最終達到周圍空間的相同溫度。此時它被稱為“黑矮星”。人們認為宇宙的年齡足夠讓白矮星形成並冷卻成黑矮星，儘管尚未發現任何黑矮星。

質量大於錢德拉塞卡極限的恆星

蟹狀星雲是超新星爆炸的殘骸。

對於質量大於1.4個太陽質量的恆星，電子的費米壓過弱，無法阻止引力坍縮。在幾秒鐘內，電子被壓碎在質子上形成中子，核心現在具有巨大的壓力，因此具有非常高的溫度。在這次坍縮過程中產生了原子序數高於鐵的元素。當核心坍縮突然停止時，由於巨大的向外壓力會導致爆炸。這種爆炸被稱為超新星。剩餘的塵埃雲最終可能形成一群新的恆星。

中子星

超新星內部的剩餘核心完全由中子組成，因為電子已被迫進入原子核。它們的密度如此之大，以至於地球在相同密度下直徑只有幾百米。這個剩餘的核心被稱為中子星，因為它完全由中子構成。

脈衝星

大多數恆星都有自己的角速度，即旋轉速度。當恆星快速縮小時，由於角動量守恆，它會旋轉得更快。這類似於滑冰者將手臂靠近身體時，可以旋轉得更快。通常，這就是超新星核心收縮形成中子星時的現象。旋轉速度大幅增加，導致脈衝星的形成。之所以這樣稱呼是因為我們在地球上檢測到它們是規則的無線電脈衝，週期有時在毫秒範圍內。這些脈衝的規律性和短週期讓科學家們相信外星人正在試圖與我們交流，儘管現在已知這些脈衝來自旋轉中子星的磁場。

像所有恆星一樣，脈衝星也有自己的磁場。隨著恆星旋轉速度的增加，周圍的磁場強度也會增加。移動的磁場會產生強烈的電場。這種強烈的電場會加速電子，並在兩個磁極產生強烈的輻射束。由於磁北極和旋轉軸並不完全對齊，就像在地球上一樣，輻射束有可能穿過地球併到達我們，產生我們觀察到的輻射脈衝。

黑洞

黑洞無法直接觀測，而是使用電磁頻譜來觀察其影響，例如這個模擬影像中顯示的來自遙遠星系的光線彎曲。2016年，一對位於美國的引力波探測器（每個長一公里）直接探測到一對合並的黑洞。

如果一顆中子星的質量大於約3個太陽質量，它將進一步坍縮成一個無限小的點，稱為奇點，並且密度將變得無限大。奇點幾公里處的引力場強度如此之大，甚至光也無法逃逸，恆星現在變成了黑洞（儘管光子沒有質量，但光仍然受到引力的影響，這可以用愛因斯坦的廣義相對論來解釋）。由於沒有任何東西比光速更快（同樣由相對論解釋），所以任何落入黑洞的東西都將永遠消失。

類星體

類星體是輻射源，非常明亮，比許多星系都亮。它們的亮度會隨著幾天或幾個月的時間週期發生變化，因為一個物體不可能比光從一端到另一端所需的時間更快地改變亮度，所以人們認為它們是相對較小的物體，直徑只有幾天或幾個月的光年。類星體的紅移表明它們距離非常遙遠，遠至 180 億光年，對它們的唯一解釋是它們是由物質落入黑洞時發出的輻射，因為物質的引力勢能損失了。

測量到恆星的距離

為了測量恆星到地球的距離，人們設計了幾種方法。

視差

我們可以測量一顆恆星在它在地球軌道上的兩個極端位置時，在遙遠恆星背景上運動時所產生的視差角。我們假設遙遠的恆星是靜止的。該圖顯示了恆星視差的含義。

從這個角度，我們可以用以下公式找到距離（以秒差距表示）

${\text{distance}}={\frac {1}{\text{parallax}}}$.

因此，視差角越小，恆星離地球越遠，當一顆恆星的視差為 1 角秒（${\frac {1}{3600}}th$ 度）時，我們說它距離我們 1 秒差距。1 秒差距大約等於 $3\times 10^{16}$ 米，或 3.26 光年。

光強

曾經人們認為所有恆星的亮度都完全相同，但有些恆星看起來比其他恆星暗淡，因為它們距離更遠。我們現在知道恆星的亮度會因恆星而異，但星等系統仍然被使用。

視星等

可見恆星被分成 6 類，根據它們的感知亮度。最亮的恆星被歸類為 1 等星，而肉眼可見的最暗的恆星被歸類為 6 等星。後來發現星等的差異實際上代表了光強的 2.5 倍，因為人眼的視覺工作在對數尺度上。這意味著 1 等星比 6 等星的光強 $2.5^{5}=100$ 倍。可以透過兩顆恆星的視星等找到它們的光強比

${\frac {I_{1}}{I_{2}}}=2.5^{m_{2}-m_{1}}$

如今，藉助望遠鏡，我們可以測量視星等大約在 +25 到 -25 之間的恆星，其中越小越亮。我們使用以下公式從測量到的光強值計算它

$m=-2.5\log \ I+constant$

其中 m 是視星等，I 是光強。

絕對星等

恆星的視星等不會告訴我們它的真實光強，只告訴我們到達我們眼睛的光強。這意味著一顆非常遙遠的恆星可能比一顆更近的恆星更明亮，但它看起來從地球上看更暗淡。恆星的絕對星等是指它如果位於 10 秒差距的距離上時的視星等。絕對星等由以下公式給出

$M=m-5\log({\frac {d}{10}})$

其中 d 是恆星的距離（以秒差距表示）。

銀河系

銀河系是一個螺旋星系。太陽位於其中一條旋臂的末端。

我們所在的星系被稱為銀河系。它是一個螺旋星系，厚度很薄，但像透鏡一樣。它的半徑為 100,000 光年，厚度約為 2000 光年，使其輪廓有點像 CD。在它的中心是一個巨大的古老恆星球，稱為銀河核球，其中心是一個超大質量黑洞。銀河系包含 200 到 400 億顆恆星，以及估計有 2 萬億顆行星。銀河系有許多旋臂（2 到 6 個，確切數量尚不清楚），這些旋臂是恆星形成的區域。