1.恒星

　　恒星是宇宙中最主要的天体。我们所看以的天上星辰，绝大多数是恒星。太阳是离我们最近的一颗恒星。

　　恒星是由炽热气体组成的，能够自身发光的球形或类球形天体。它们之所以是炽热的气体并能自身发光，是因为它们都具有极为巨大的质量，因为质量的关系产生了巨大的自引力，使这些气体聚集在一起，形成球形或类球形，在其内部发生着激烈的热核反应，以维持其自身发光放热的特点。构成恒星的气体主要是氢（70％），其次是氦（28％），其余元素为碳、氮、氧、氖和铁等。

　　恒星在天空的相对位置，似乎是固定不变的。这是因为它们与地球的距离以及它们之间的距离都极其遥远，在短期内很难发现它们位置变化的缘故。所以古人误认为是不动的，称其为“恒星”。实际上，恒星也都在不断地运动着，其位置也是变化的。例如，我们所熟悉的北斗七星排列成的图形，就不是固定不变的（见图1－16）。

　　恒星的物质组成大体类似。但是，它们的各种物理参量却是千差万别的。

　　因为恒星的距离都很遥远，计量恒星的距离通常以光年为单位。即光在一年中所走过的距离。1光年=9.46×1012千米=6.324万天文单位（日地平均距离为1天文单位，1天文单位=1.5亿千米）。太阳是离地球最近的恒星，太阳光到达地球只需8分多钟，其次是比邻星，距地球4.22光年，而北极星距地球为682光年。

　　有时计量天体之间的距离还常用另一种单位——秒差距。即天体的周年视差（天体对于地球轨道半径所张开的角度）为一角秒的时候，这个天体与地球的距离定为1秒差距（见图1－17）。1秒差距=3.2616光年=20.6265万天文单位。秒差距等于视差的倒数，例如织女星对地球轨道半径的张角角秒值为0″.12，它和地球的距离就是1/0″.12=8.3秒差距=27光年。

　　光年和秒差距也被用作天体直径的单位。

　　恒星的体积、质量和密度是不同的。尤其体积和密度的差别极大。小的恒星直径不足太阳的千分之一，大的恒星可比太阳大千倍以上；密度小的只相当于水的千万分之一，密度大的可达水的千万倍以上。相比之下，恒星的质量却有一定的限度，一般为太阳质量的百分之几到120倍之间。由于质量相差不多，所以，体积和密度相差悬殊。而质量又是恒星性质的基本因素。如质量小于太阳的7％，由于收缩产生的温压，不足以发生热核反应，不能发光放热，也就不能成为一颗恒星，只能成为像行星那样不能产生可见光的天体；如质量超过太阳的120倍，由于内部热核反应过于强烈，产生的温度和压力过大，就会导致爆炸。所以大多数恒星的质量在0.1～10个太阳质量之间。

　　我们用肉眼所看到恒星的明暗程度称为视亮度，简称亮度，常用视星等表示。亮度取决于恒星离地球的远近。发光能力相等的恒星，离地球近的亮度大，距离远的则亮度小。古人将肉眼能看到的恒星分为6等。最亮的叫1等星。亮度减小，等级降低，肉眼勉强能看见的星，叫6等星。19世纪通过仪器测定，发现1等星的平均亮度大约为6等星的100倍。这样就定义亮度

　　星亮2.51倍，2等星比3等星亮2.51倍，其余类推。目前，大的天文望远镜已能观测到25等星。比1等星更亮的为0等星、-1等星、-2等星，依此类推。如牛郎星为0.8等，织女星为0.04等，太阳为-26.8等，太阳比一等星亮1300亿倍。

　　恒星的真正发光本领称为光度。因为亮度与距离的平方成反比，因此为了反映和比较恒星发光能力的强弱，必须把所有恒星都置于相同距离上进行亮度比较，才能真正表明恒星的光度情况。国际上规定，假定把恒星移置距地球10秒差距（32.6光年）处，这时所具有的视星等，称为绝对星等。如果某恒星的距离正好是32.6光年，它的绝对星等与视星等相当。这样比较的话，太阳的绝对星等是4.83，只相当于一颗肉眼可见的较暗弱的星。视星等的数量关系对绝对星等也适用，绝对星等相差1级，恒星的光度也相差2.51倍。

　　恒星的光是由于其质量巨大，内部进行热核反应而发出来的。恒星在其演变的不同阶段，发出来的光也不同。就是说，第一，不是一切天体都能发出可见光，只有恒星才能自身发光。如有的行星，肉眼看上去虽然很明亮，但不是自身发光，只是反射恒星的光才亮的。第二，即使是恒星，也不是自形成之时起就始终在发一样的光，并永远会发光不止。

　　恒星不同，发光各异。这是因为它们的温度、化学成份、压力、密度、磁场等方面的差异所致。为此，对恒星进行光谱分析，是了解恒星性质的重要途径之一。通过大量的恒星光谱研究，可把恒星光谱划分为O、B、A、F、G、K、M七种类型。其中，O、B、A型星温度很高，质量最大，光度强，呈蓝白色。光谱以电离氢、氦谱线最强；F、G型星温度、质量、光度中，呈黄色。光谱除氢谱线外，有较强的钙谱线。太阳就是这类恒星；K、M型星温度最低，质量小，光度弱，呈红色。光谱中多金属原子谱线和分子带。详见表1－2。

表1－2 恒星光谱类型

　　恒星在宇宙间分布的形式是多样的。多数是孤立分散的，相互间距离遥远；有的则是结双成对，称为双星。在我们已认识的恒星中双星占1/3，如全天最明亮的天狼星就是双星。我们把在天球上视位置比较接近，而实际无物理联系的双星叫光学双星。而把实际相距很近，在彼此引力作用下相互绕转的双星叫物理双星。物理双星在相互绕转过程中，有的会发生相互遮掩现象，使视亮度发生周期性改变，这叫食变星。

　　物理双星是恒星空间分布的普遍现象，可以看作是规模最小的恒星集团。如果几颗恒星聚集在一起，称为聚星。10颗以上的恒星聚集成团，叫星团。在聚星中，按其成员数又可称为三合星、四合星等。在星团中，规模差别也很大。几十颗到几百颗恒星构成的星团叫疏散星团。如昴星团就有280颗恒星，不过肉眼只能看到其中的六七颗星，所以又称七姐妹星团。比疏散星团恒星更多的叫球状星团，一般有几千颗，多达几十万颗恒星。

　　恒星的发光，个体之间差别很大，这说明恒星的温度相差悬殊。而且，有的恒星与大多数恒星不同，其亮度不是长久不变，而是在短期内就会发生明显的、周期性变化。把这种亮度起伏变化的恒星，称为变星。已经发现的变星有3万颗。变星亮度的变化是由于恒星内部或其大气圈的物理状态的变化引起的。它们又可分为脉动变星（由于体积周期性膨胀和收缩而引起的亮度变化的变星）和爆发性变星。光度在短时间内突然增加到原来的几万、几十万甚至几百万倍的爆发性变星，称为新星。如果爆发后光度突然猛增到原来的1000万倍以上，这种变星叫超新星。所谓“新星”，并不表明是新产生的恒星。新星，特别是超新星都是恒星爆炸的结果。某些恒星爆炸前通常很暗，一般是看不见的，只在爆发后的一段时间内才突然明亮起来（好似新出现的恒星），再过一段时间，又会变暗，甚至在星空消失。历史上最著名的超新星就是我国在1054年记录的。

　　体积特别庞大，密度很小，表面温度较低而光度比太阳大100倍左右的恒星，称为巨星。光度比太阳大5 000倍甚至超过10万倍的恒星，称为超巨星。体积很小，密度极大，表面温度很高而光度不大的恒星，称为白矮星。巨星有的比太阳大一二十倍，超巨星甚至超过太阳上千倍，而白矮星的体积有的只相当于太阳的几十分之一。

　　新星或超新星爆发后，如果恒星的质量很大的话，残留下来的星体密度极大。当其密度达到或超过原子核密度时，巨大的内压力，会把电子挤入原子核内，电子与质子结合成中子。这种由中子组成的恒星称为中子星，其直径一般只有10千米左右，而质量可以达到太阳的2倍。这就是说中子星的密度极大，中心密度是水的几百万亿到一千万亿倍。每立方厘米的质量可达几亿到十亿吨。中子星具有极强的磁场。

　　1967年开始，发现宇宙中还有一种以周期性脉冲形式辐射电磁波的天体，叫脉冲星。其脉冲的周期短而稳定，一般在0.03～4.3秒之间，每次脉冲都辐射出大量的能量。目前认为，脉冲星就是一种中子星。其周期性脉冲辐射的特点是因中子星星体高速自转过程中，自转轴与磁轴方向不重合所致。现已发现的脉冲星有300多个。

　　按照爱因斯坦的广义相对论，当天体物质高度集聚在很小体积内的时候，强大的引力场将使该天体周围的空间高度弯曲，弯曲到足以把自己包起来，自身产生的光热和辐射逃不出它的表面，天体就是“黑”的了。并在其引力场范围内，一切物质只能被吸进体内而不会逃出，这就是所谓的“黑洞”。20世纪60年代以来， 科学家都认为宇宙中可能有大量的黑洞存在。这样的天体密度更大，体积更小，没有光亮又非常遥远，因此，很难被发现。

　　为什么恒星世界这样丰姿多彩呢？这是因为，我们现在看到的恒星，一是它们初始形成时有大有小；二是因为恒星在其整个生命过程中，都处于不断演化之中的缘故。恒星都有一个从形成到衰亡，经过原恒星、主序星、红巨星、白矮星和中子星乃至黑洞的演化过程（参看图1－18）。而且恒星演化寿命的长短与其质量和光度成反比，这样就更使恒星显得具有多样性。

　　上述恒星的起源和演化过程，实质上是恒星内部物质吸引与排斥对立统一的过程，其表现为星体的收缩与膨胀。依照这种过程，恒星的演化可分为四个阶段：一是引力收缩阶段，即幼年期。先是宇宙空间的星际物质聚集成星际云，再由星际云演化成恒星胚胎，最后由恒星胚胎演化成可以向外辐射红外线的红外星。这就是幼年的恒星，也叫原恒星。由于收缩的逐步进行，此阶段引力位能起支配作用。

　　二是主序星阶段，即壮年期。由于红外星进一步收缩，内部温度升高到80万度时，开始出现热核反应，温度达到700万度时，出现氢——氦核聚变反应，所产生的热能辐射，使内部的斥力与收缩引力达到平衡，恒星进入壮年期。因恒星的主要组成物质是氢，氢核聚变反应可以维持很长时间，所以恒星在壮年期停留的时间最长，在赫罗图上也就成了主要星体。太阳在主序星阶段大约要停留100亿年，现已度过约50亿年。

　　三是红巨星阶段，这是恒星演化中多变的中年期。由于恒星中心区温度最高，氢核聚变反应进行得最快。当中心区氢核消耗到一定程度，核反应减弱时，中心区外围的氢核聚变反应变得相对增强，恒星内部的斥力和引力失去平衡。这时，中心区开始收缩，外壳急剧膨胀，主序星就开始了向中年期的演化，逐步形成体积大，密度小，表面温度低而光度增强的红巨星。当红巨星中心区由于收缩，温度又开始升高并达到1亿度上以时，就发生新的氦核聚变（为碳核）反应，使内部压力增大，斥力与引力达到新的平衡，从而度过它的大约10亿年的整个中年期。估计太阳将来也要变成红巨星。

　　四是白矮星、中子星、黑洞阶段。这是恒星演化的晚年期。由于红巨星内氦——碳核反应的剧烈进行，温度可增高到60亿度，极强的热能辐射将使斥力超过引力，星体内部平衡再度破坏。这时质量大的恒星多发生爆炸，光度突然增高几万甚至几亿倍，即所谓的新星或超新星；质量小的恒星由于氦——碳核反应所产生的能量不足以引起星体的爆炸，而直接演化成白矮星。现已发现的白矮星有1000颗以上，天狼星的伴星就是一例，其密度高达780千克/厘米3。但是，也有些白矮星是由新星爆发后的高密度残骸演化成的。如果是超新星爆发，内部物质急剧坍缩可形成超高密度的中子星或密度及引力更大的黑洞。在新星和超新星爆发中，除了高密度的内核被残留下来以外，其余大量的外层物质就被抛出，以新的星际物质形态出现在宇宙空间，成为孕育新恒星的原材料（见表1－3）。

　　2.星云

　　天空中除了闪烁发光的恒星之外，还可以用望远镜观察到云雾状天体，它们是宇宙中的气体尘埃云，称为星云。一般说来，星云的温度较低，物质组成处于极端稀薄状态，所占空间很大，是一种形体巨大，结构极其疏散的特殊天体。星云按其形状可分为行星状星云和弥漫星云两大类。

　　行星状星云呈正圆或扁圆形，中央有颗很热的恒星。这种星云的直径可从几个天文单位到几光年，密度比地球大气还小。由于这种星云吸收中央星的紫外辐射，并发射可见光辐射，温度可达6 000℃～10 000℃，还有不断向外膨胀的趋势。人们认为行星状星云的产生，与恒星演变到晚期的抛出物质有关。天琴座环状星云是著名的行星状星云之一。

　　弥漫星云的形状不规则，没有明确的界限，比行星状星云大得多，组成物质也稀薄得多。直径平均几十光年，质量平均为太阳的10倍。如果弥漫星云附近有温度很高或光度较大的恒星，星云便会因反射恒星的光或受恒星紫外辐射被激发，而发出亮光。此种星云称为亮星云。猎户座大星云就是一例。如果是云附近不存在恒星，星云则不显光亮，称为暗星云。暗星云是因其背后星光被掩蔽而发现的。猎户座内的“马首星云”就是著名的暗星云。

　　3.星际物质

　　在广漠的星际空间，除了恒星和星云之外，还充满着比弥漫星云更稀薄的物质。如星际气体（以氢为主）、星际尘埃和各种各样的星际云、星际磁场、宇宙线等。这些通称星际物质。近年来在星际空间还发现了各种有机分子，如氰基、氨、甲醛、甲醇等。目前已发现组成星际物质的分子有60多种。

　　人们普遍认为，星际云同恒星的形成有直接关系。星际云是由星际物质聚集而成的。星际云由于本身的引力作用而收缩，收缩时温度升高。质量较小的星际云最后可形成一个恒星，质量较大的星际云最后可形成星团。所以，对星际物质的观测和研究，对天体演化、生命的起源等重大自然科学问题，都有重要意义。