ALEVEL物理A2难点分析 你的宇宙学有救了

ALEVEL物理A2阶段，宇宙学是让很多学员头疼的知识点。今天就让我们讲一讲恒星的诞生与消逝，为大家梳理一下宇宙学这个ALEVEL物理A2中的难点篇章。

Alevel物理考试介绍

AS的时候物理需要考Paper1、2、3，A2的时候需要考Paper 4、5。Paper 1是选择题，Paper2、4是大题，Paper 3、5是实验题。

相对来说，paper2比较困难，因为题目的灵活性比较强，而且需要背的定义概念比较多。 整套卷子用时一个小时，满分是60分。每一道大题的第一问基本都是定义题，所以一定要背熟每一个定义。定义题之后一般是计算题或者是解释题

The birth of a star 恒星的诞生

恒星的一生，是使它坍缩的gravity（引力）和使它膨胀的outward pressure（压强）之间的持续的斗争。

Stars form in huge clouds of dust and gas called nebulae.最初的最初呢，他们是一团叫作 nebula（星云）的尘和气体。

The gravitational force pulls more and more matter into a clump calleda protostar.Gravitationalforce（引力）将这些尘和气体牢牢抓在一起，聚集的物质越来越多，它们成为一个叫作 protostar（原恒星）的大块。

The gravitationalpotential energy lost is converted into kinetic energy which causes a rise incore temperature.在物质聚集在一起的过程中，G.P.E （重力势能）减少了，伴随着的是 K.E（动能）的增加，K.E 的增加带来了核心温度的进阶。

Eventually thekinetic energy and the density is high enough to overcome electrostaticrepulsion and begin the fusion of hydrogen.等到能量和密度足以原子核之间的 electrostatic repulsion（静电排斥）时，氢原子的核聚变（fusion）就开始了。

The thermalactivity (radiation pressure) stops further gravitational collapse—— A main sequence star is born.聚变产生的热/辐射使得物质不能进一步受引力作用塌缩，这时恒星达到了一个相对稳定平衡的状态——main sequencestar (主系星)，而恒星会在这个状态待很久很久。我们的太阳也在目前这个最稳定的状态。此刻恒星叫作 Sun-like star。如果恒星拥有很大的质量，它在这个阶段就会比Sun-like star 拥有更高的温度，这样的有着巨大质量的恒星在此时有另外的名字——blue supergiant.

Death of stars 恒星的逝去

The radiationpressure, due to nuclear fusion, balances the gravitational forces. As thehydrogen fuel runs out, the radiation pressure drops.原本在主系星中，热辐射与引力互相平衡。但是当氢核聚变的原料——氢，用完了之后，不再进行氢核聚变，热辐射就下降了。

The starcontracts. GPE is converted into KE and the star heats up.恒星收缩，重力势能转换为动能，而动能的增加导致了恒星的温度再一次上升。

There is a massiveexpansion of the star, with the photosphere further from the core leaving alarger cooler red giant fusing heavier elements.恒星会有一个巨大的膨胀，外层的物质离核心越来越远，留下一个体积更大温度更低的 red giant（红巨星）继续聚变更重的元素。

膨胀中恒星会把很多物质抛向周围，此时它是一个planetary nebula.

恒星的核聚变中能得到的最重的元素是铁，因为铁原子有最大的 binding energy per nucleon. 如果要获得更重的元素，需要其他的过程提供更多更多的能量。

如果最初的恒星的质量在0.4-0.8个太阳的质量之间，The star againruns out of fuel and collapses in on the core, however this time the mass is sogreat that the core implodes, a shockwave rips through the star and it explode.

燃料用尽后恒星会坍缩，而这一次因为质量很大于是重力也很大，突然的收缩造成密度的急剧上升，它的核心会 implode. 出现sudden burst of energybouncing the collapse back out也就是产生shockwave, 造成explode.此刻的恒星叫作 type 2 supernova.

Type 2 supernova 有两种走向

当恒星的质量在8-20个太阳的质量之间，core remnant mass（核心剩余质量）在1.4-2.5个太阳的质量之间时，它最后会变成 neutron star（中子星），保留了 the central core of stellar material。

当恒星的质量大于20个太阳的质量，core remnant mass大于2.5个太阳的质量时，它会变成 black hole（黑洞）。黑洞有极高的密度，引力极其大，就连光也无法逃脱它。

本文中的数值与 edx 书中稍有出入，比如说书中的中子星与黑洞是以核心剩余质量为太阳的3倍为界限的，本文的数值会精准一些。爱德思考试局在2010年之前的某次考试中考察过这个数字，但是标准答案采用的并非书上的数值，而是本文中提到的数值，让一群小伙伴一脸懵逼。之后从2010到2016年均未考察过数值，书中讲得也不是特别详细，如若真考到应该本文中与书中的数值均可。

数值的考察可能不是重点，但是还请各位小伙伴对恒星的演变有一个清晰的概念，一个原生星通过什么样的过程会发展成什么，一定要弄清楚。

将恒星的演变与HR-diagram也是重点之一。

HR-diagram 的横轴是 temperature, 纵轴是相对太阳的luminosity.需要注意的是HR-diagram 使用的是 log scale，可以看到横轴和纵轴的坐标的数值是成等比数列(geometric sequence)的。至于为什么要使用 log scale，是因为数值都很大，使用起来会方便些。

更需要注意的是：横轴的数值由左到右是降低的。因为纵轴是相对太阳的数值，如果问太阳在这个图的哪个位置，必定是先确定纵轴的1 在哪里，然后在main sequence 上找到对应的位置。真题中也有出现对恒星演变在HR图上演示，大致的方向在图中也标明了。可以看到white dwarf 是相对高温和昏暗，而red giant 是相对低温和明亮。根据 Stefan-Boltzmann law, 可以推出white dwarf 拥有较小的体积，而red giant 拥有较大的体积。

今天对ALEVEL物理A2宇宙学知识点的梳理，希望能对大家有所帮助。

坊间一直流传着这样一句话“AS笑嘻嘻，A2哭唧唧”。A2阶段的成绩直接决定了你能不能真正达到con要求，顺利录取。因此同学们到了A2阶段也不能松懈啊。

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