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宇宙学 - 旋涡星系



很长一段时间内,没有人认为银河系之外存在星系。1924年,埃德温·哈勃在仙女座星云中探测到**造父变星**并估计了它们的距离。他得出结论,这些“螺旋星云”实际上是其他星系,而不是我们银河系的一部分。因此,他确定M31(仙女座星系)是一个岛宇宙。这是**河外天文学**的诞生。

造父变星表现出**周期性的亮度下降**。观测表明,连续两次下降之间的时间间隔,称为脉动周期,与光度有关。因此,它们可以用作距离指示器。像太阳这样的主序星处于流体静力平衡状态,并在其核心燃烧氢。氢完全燃烧后,恒星转向红巨星阶段并试图恢复平衡。

造父变星是主序星后恒星,正从主序星过渡到红巨星。

造父变星的分类

这些脉动变星主要分为3类:

  • **I型造父变星**(或经典造父变星) - 周期为30-100天。

  • **II型造父变星**(或W Virginis星) - 周期为1-50天。

  • **天琴座RR型变星** - 周期为0.1-1天。

当时,哈勃并不知道这种变星分类。这就是为什么哈勃常数被高估的原因,因此他估计了我们宇宙的较低年龄。因此,后退速度也被高估了。在造父变星中,扰动从恒星中心径向向外传播,直到达到新的平衡状态。

亮度和脉动周期之间的关系

现在让我们尝试理解光度越高,脉动周期越长这一事实的物理基础。考虑一颗光度为L、质量为M的恒星。

我们知道:

LMα

其中α对于低质量恒星为3到4。

根据**斯蒂芬-玻尔兹曼定律**,我们知道:

LR2T4

如果**R**是半径,cs是声速,则脉动周期**P**可以写成:

P=R/cs

但是,任何介质中的声速都可以用温度表示为:

cs=γPρ

这里,对于等温情况,**γ**为1。

对于理想气体,P = nkT,其中k是**玻尔兹曼常数**。因此,我们可以写:

P=ρkTm

其中ρ是密度,**m**是质子的质量。

因此,周期由下式给出:

PRm12(kT)12

**维里定理**指出,对于稳定、自引力、球形分布的等质量物体(如恒星、星系),物体的总动能**k**等于总引力势能**u**的负二分之一,即

u=2k

假设维里定理对这些变星成立。如果我们考虑恒星表面上的一个质子,那么根据维里定理,我们可以说:

GMmR=mv2

根据麦克斯韦分布,

v=3kT2

因此,周期:

PRR12(GM)12

这意味着

PR32M12

我们知道 – ML1/α

还有 RL1/2

因此,对于**β > 0**,我们最终得到 – PLβ

要点

  • 造父变星是主序星后恒星,正从主序星过渡到红巨星。

  • 造父变星有3种类型:I型、II型和天琴座RR型,按脉动周期递减排列。

  • 造父变星的脉动周期与其亮度(光度)成正比。

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