恒星物理學

恒星物理學是天體物理學的分支之一，它是應用物理學知識，從實驗和理論兩方面研究各類恒星的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)和化學組成的一門學科。另一方面，在恒星上發(fā)現(xiàn)的某些奇特物理現(xiàn)象，也能夠啟發(fā)和推動現(xiàn)代物理學的發(fā)展。

　　一般的恒星都是熾熱的氣體球，所以研究恒星所必需的一切資料幾乎全部來自恒星自身的電磁輻射，近年來才開始有可能檢測它們的高能粒子和引力波效應。因此人們主要使用各種光學、紅外線、射電和X射線等天文望遠鏡，以及所附的照相裝置、光電裝置、分光裝置、偏振裝置、熱檢測裝置、微波檢測裝置、頻譜檢測裝置、能譜檢測裝置等，去測量各類恒星在不同波段上的輻射強度、能譜、譜線結(jié)構(gòu)、偏振狀態(tài)、角直徑、角間距、視面結(jié)構(gòu)和角位移等物理量。

　　然后，應用熱輻射理論，可以推出恒星表面的有效溫度；應用譜線位移和一定的幾何方法，可以確定恒星自轉(zhuǎn)特性、雙星特性或脈動特性(結(jié)合光度變化特性)；再利用引力理論、輻射理論和脈動理論，可推出雙星軌道半長徑、子星半徑、子星質(zhì)量(或質(zhì)量函數(shù))及脈動變星的平均半徑和平均密度等；應用譜線的形成和致寬理論，可以推出恒星大氣的電子壓力、氣體壓力、不透明度、元素的豐度以及恒星的光度；應用核物理理論，可以推知恒星的產(chǎn)能機制及其變遷，再結(jié)合輻射轉(zhuǎn)移理論就可建立恒星模型，用以研究恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)理論；應用塞曼效應，可椎知恒星磁場；應用引力理論、粒子理論，可以探討恒星晚期超密態(tài)的各種現(xiàn)象；應用等離子體理論，可以探討星冕、星風、質(zhì)量交流和質(zhì)量損失等恒星大氣現(xiàn)象；最后，綜合應用各種物理理論，可以探討恒星的形成和演化。

　　恒星大氣是我們能直接觀測到的恒星外層部分。應用分光技術(shù)，依照輻射平衡、局部熱動平衡的輻射轉(zhuǎn)移理論和恒星大氣模型理論，可以在一定程度上解釋連續(xù)光譜、吸收光譜和發(fā)射光譜的形態(tài)，探明它們的形成機制、演變過程和致寬因素，并弄清楚大氣中光球、反變層、色球?qū)印⑿敲岬炔煌瑢哟蔚奈锢頎顩r和相互關(guān)系，以及大氣中的元素豐度等，還可以研究恒星自轉(zhuǎn)，并根據(jù)較差自轉(zhuǎn)來探討恒星大氣內(nèi)層的情況。

　　研究恒星內(nèi)部從中心到表面各層的物態(tài)和物理過程，探討恒星內(nèi)部輸送能量和維持溫度梯度的物理機制，根據(jù)研究結(jié)果解釋觀測到的恒星質(zhì)量、光度、半徑和表面溫度等的時序變化和相互關(guān)系。確定產(chǎn)能和維持恒星不斷輻射的核物理過程，探討元素合成理論以解釋現(xiàn)有的元素豐度。目前較流行的是1957年由伯比奇夫婦、福勒和霍伊爾聯(lián)合提出的理論。

　　許多恒星有脈動性的光變，理論研究表明，脈動現(xiàn)象是恒星演化到一定階段的必然現(xiàn)象。根據(jù)最重要的幾種脈動變星的周光關(guān)系，可以確定恒星和許多有關(guān)天體的距離。利用線性和非線性脈動理論，可以較好地解釋恒星的脈動現(xiàn)象。

　　多種恒星有不同能量級的爆發(fā)現(xiàn)象。從年輕的耀星、金牛座T型變星到老年和臨近“死亡”的新星、超新星，都有爆發(fā)現(xiàn)象。關(guān)于各類爆發(fā)的物理機制還不十分清楚，需要積累更多更完善的觀測資料，并進行更深入的理論分析。對于新星的爆發(fā)和許多類似的其他星體的爆發(fā)，許多人試圖采用雙星模型進行解釋。

　　雙星是恒星世界的普遍現(xiàn)象，估計銀河系中太陽附近半數(shù)以上的恒星是雙星或聚星的子星。根據(jù)長期的目視、照相、光度和分光觀測，可以定出恒星最基本的物理參量：質(zhì)量和半徑。密近雙星系統(tǒng)中存在大量的質(zhì)量交流。這種交流所引起的氣流，氣環(huán)、熱斑、X射線爆發(fā)和新星爆發(fā)現(xiàn)象等，在光譜和光度變化中都有所反映，因而對研究引力相互作用、輻射相互作用、物質(zhì)相互作用和恒星演化過程等都很重要。

　　根據(jù)流行的演化學說，晚期恒星因引力坍縮而成為密度大到10千克/厘米³以上的致密星，即白矮星、中子星或黑洞。已觀測到的白矮星有上千顆，被認為是中子星的脈沖星也已發(fā)現(xiàn)數(shù)百顆，但是黑洞則尚在探尋之中。所有這些天體的研究都與廣義相對論密切相關(guān)，同時也是對廣義相對論的檢驗。對天鷹座射電脈沖星雙星PsRl913+16所進行的觀測研究，有可能證實廣義相對論預言過的引力波。

　　近年來，恒星物理學的一個重要發(fā)展是全波段觀測的逐漸推廣。射電、大氣外X射線、遠紫外線和紅外線觀測，大大豐富了我們關(guān)于恒星輻射和恒星表層物理的知識，并且發(fā)現(xiàn)了X射線新星和X射線雙星等新天體，因而理論研究十分活躍。現(xiàn)在看來，有關(guān)密近雙星系統(tǒng)的觀測和理論研究，是解決許多恒星物理學問題的一把鑰匙。

　　由于對耀星研究的深入，加上光斑干涉等超高分辨率和高精度光電視向速度分光儀等觀測技術(shù)的發(fā)展，我們已經(jīng)能夠把當作點源的恒星與作為面源的太陽進行真正的類比研究。另一方面，由于有了大望遠鏡和其他新技術(shù)，我們已經(jīng)能夠?qū)θ舾勺罱�的星�?如大小麥哲倫云)內(nèi)的各類恒星進行較詳細的觀測研究，從而把它們與銀河系內(nèi)的同類型恒星進行對比，這樣就能更好地了解天體化學組成對演化進程的影響。

　　核物理學和基本粒子物理學的發(fā)展，加上大型快速電子計算機的廣泛應用，推動人們進一步研究恒星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、元素合成和演化過程。脈沖星的發(fā)現(xiàn)，給理論家們以巨大的鼓舞。廣義相對論和各種引力理論又重新活躍起來，被廣泛應用于晚期恒星的研究。