恒星的一生教案

科学（浙教版）九年级下册 第1章 第3节

一、教材分析

本节设一课时。

本课时是浙教版教材科学九年级上册第一章第三节的内容，前2节学习了宇宙的起源—大爆炸理论、太阳系的形成—星云学说，这一节要对宇宙观有一个整体的认识，了解恒星一生的演化过程。人类对宇宙来说太短暂了，对宇宙某个恒星的观察会认为没有什么变化的，自从有了哈勃望远镜，天文学家们获得了大量没有受大气层干扰的重要数据，通过大量信息和合理的假设，天文学家们建立宇宙大爆炸理论，《恒星的一生》一节所描述的是该理论体系中关于恒星运动的理论，有一定观测依据作支撑。本节。对前2节作小结 二、学情分析

关于宇宙的知识，学生知道的很少，但非常感兴趣。在小学和七年级时有过关于宇宙的点滴了解，关于银河系、太阳系了解稍多一些。本章1-3节介绍的内容与学生的生活常识相差甚远。而宇宙中的各种“特别的恒星”如红巨星、白矮星、暗矮星、超新星、中子星与黑洞等“恒星”的不同发展阶段学生非常的陌生，但又听说过这些名称。因此要让学生对恒星的一生建立整体概念要通过视屏、图片来建立感性认识，再通过教师的讲述建立理性概念。恒星在不同的阶段演化的过程要涉及复杂的物理学专业知识，对于九年级的学生知识是远远不够的，因此教师要深入浅出的讲述，不要涉及深奥的物理知识，但学生很有热情了解，要鼓励，并告诉学生这里大有学问，有志者可以将来去从事天文研究。 三、教情分析

《恒星的一生》内容属于天文知识，现在在初中任教的科学教师几乎都没有系统接受过这方面的学习，甚至培训都没有。所以这些知识对教师本身就是极大的挑战。教师们大都从网上查阅了一些知识，再结合教材、教参一整合，就将这些教师自认为正确的知识教下去了。这个现状目前暂时难以改变，教师们对这些内容的教学目标应更多注重学生学科情感的培养，知识点的讲述也得告诉学生这是目前被大多数人接受的，有待于发展。不要将知识说死。 四、设计理念

1.尽可能启发学生的想像力和对科学的兴趣。由于学生从前两节中，对宇宙的知识 、对星云学说有所了解，对恒星的变化渴望了解，因此教授本课时内容着眼点不在于学生记住多少知识而在于对宇宙的了解有更浓厚的兴趣。

2.本节内容的学习时间是在学生中考前的最后一个学期，大环境迫使师生已经带上了强烈的升学意识，甚至会砍掉这节课而去做一些中考有关的题。鉴于此，这节课更可能是学生难以忘怀的课，用丰富的画面，生动的视频和充满对科学的憧憬的讲解，充分调节学习欲望，也调节紧张的学习气氛。 五、教学目标

1．知识目标：（1）认识恒星的不同发展阶段：红巨星、超新星、白矮星、暗矮星和黑

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洞

（2）了解太阳一生的演化过程

（3）知道大质量恒星的演化过程和小质量恒星的演化过程。 2．能力目标：

（1）培养学生收集信息的能力和处理信息能力 （2）培养学生探索宇宙的兴趣和获取新知识的欲望 3．情感、态度、价值观目标∶

（1）感悟人类（科学家）对科学知识的探索和追求，学习辨证分析的方法和态度 （2）感悟科学家利用有限证据和一定理论大胆建立科学假设的精神，不断寻找新证据来证实或修正假设，使理论趋向完善。

教学重点、难点

重点：通过对大质量恒星和小质量恒星的演变过程的学习建立科学探究的兴趣 难点：从认识许多特别的“恒星”到认识科学家所描绘的小质量恒星演化过程或大质量演化过程的思维台阶是学生的困难。

六、教法与学法

（1）问题式预习：教师给出问题，让学生查阅资料和交流资料 （2）计算机辅助教学

学生利用利用多媒体展示资料，图片。 教师利用多媒体展示图片，视频。 （3）情境教学

让学生设想太阳将如何演化下去，太阳将如何走向死亡。 （4）激励性教学

教师把自己定位为“主持人”，把机会让给学生，教师要设疑、启发、引导、激励、抚慰，让学生展示各种能力。

七、课前准备

（1）教师阅读教材、阅读教参、查阅有关资料。 （2）教师设计教学模式，制作课件

（3）教师根据教学设计分工定出学生要查阅的资料，之后了解学生查阅了哪些资料，如何进行课堂展示，学生展示需要什么工具等。

（4）做好课堂多媒体展示的各项准备（注意视频能否放）

教师有必要看的课外资料：（1）浙江省台州初级中学 金京生老师的一篇讲稿《演化的自然》，了解本章综述。（2）阅读师天一的博客 译文《恒星的一生》（3）从网上阅读视频《恒星的一生》。（4）从网上阅读各种特别的恒星：红巨星、超红巨星、白矮星、黑洞、超新星、行星状星云。

布置学生查阅的资料：（1）将学生分成红、蓝两队让学生自己讨论设想是否会走向死亡并说说走向死亡的方法。明天上课派对表表述。（2）从下列各种特别的恒星中选择一项，查阅有关资料。可以从网络、杂志、图书馆有关书籍里查。各种特别的恒星：红巨星、超红巨星、白矮星、黑洞、超新星、行星状星云。每一位学生都要做。

八、教学过程

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教学流程 引入 直接引入：科学家曾预言：太阳会走向死亡，你们认为呢？ 学生演说时作合适的点评 感受科学观测 感受科学观测 提问思考 科学家们为了证明预言是否成立并逐步完善演化理论，做了大量观测。请同学们来展示你们查阅到的资料。 同学们查阅了大量资料，老师也查找了一些，有一些是同学们中没出现过的，我与大家分享。 展示并介绍。 图片和资料在后面附录里。 看了科学家们得观测记录，同学们对恒星演化有怎样的猜想 观看视频 领悟科学家的猜想 教师讲述 小结 通过观看视频，我们可以描绘出三类恒星的演化过程 通过今天的学习你知道了哪些新的知识？有了怎样的新感悟？能力有何提升？ 作业 1、《作业本》 2、上网收集资料，编写 巩固新知 培养科学精神 培养利用网络学习的能力。 回顾新知 下面请同学们观看科学家们得猜想 学生集体观看视频 从视频中领悟科学家的猜想及已有的实证 学生听讲 学生提出猜想 学生猜想很不成熟 但还是培养猜想能力， 学生向科学家学习观察、思考、猜测、验证等科学探究能力 培养学生归纳提升能力。 巩固。 学生集体观看照片 被照片震撼 学生观看后交流与猜测 交流后提出问题。 充分调动学生的思维，培养学生的观察、思考、猜测、验证、交流、讨论的能力。 学生用图片和文字展示所展示并交流学生查生自主学习能力并给予指导。 查到的各种特别的恒星。 阅的成果，肯定学安排两位学生分别代表两个小组上台演说。 让学生以主体身份进入课堂 教师活动 学生活动 设计意图 “超大质量恒星的一生”。 课后完成 3

九、板书设计

十、附录资料

1.红巨星

哈勃于1997年拍摄的红巨星苧藁增二

红巨星是一种演化晚期的恒星，广义上包括氢燃烧以后离开主星序的所有的大光度的恒星，它们位于赫—罗图的右方或右上方，属于巨星支或超巨星支，通常这些巨星支或超巨星支的恒星大部分是体积和光度均很大的K型星和M型星，因而是光色发红的低温恒星，故称为红巨星。

2. 行星状星云

哈勃太空望远镜拍摄到银河系内罕见

的行星状星云NGC 2818

行星状星云实质上是一些垂死的恒星

抛出的尘埃和气体壳，直径一般在一光年左

右。由质量小于太阳十倍的恒星在其演化的末期，其核心的氢燃料耗尽后，不断向外抛射的物质构成。行星状星云是指外形呈圆盘状或环状的并且带有暗弱延伸视面的星云，属于发射星云的一种。在望远镜中看去，它具有像天王星和海王星那样略带绿色而有明晰边缘的面。 行星状星云呈圆形、扁圆形或环形，有些与大行星很相像，因而得名。

3. 超新星

哈勃太空望远镜拍摄到这张蜘蛛星云的精美

近照，这是蜘蛛星云的广角图片，它显示了超新星残余物NGC 2060、超新星SN 1987a的残余物，以及恒星簇RMC 136。

超新星爆发事件就是一颗大质量恒星

的“暴死”。对于大质量的恒星，如质量相当于太阳质量的8~20倍的恒星，由于质量的巨大，在它们演化的后期，星核和星壳彻底分离的时候，往往要伴随着一次超级规模的大爆炸。这种爆炸就是超新星爆发。现已证明，1572年和1604年的新星都属于超新星。在银河系和许多河外星系中都已经观测到了超新星，总数达到数百颗。可是在历史上，人们用肉眼直接观测到并记录下来的超新星，却只有6颗。

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4.白矮星

“哈勃”太空望远镜2004年拍摄的照片 形成“猫眼”星云的恒星正在加速走向灭亡，一颗白矮星清晰可见。

白矮星(White Dwarf)是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为它的颜色呈白色、体积比较矮小，因此被命名为白矮星。白矮星是一种晚期的恒星。根据现代恒星演化理论，白矮星是在红巨星的中心形成的。白矮星是一种

很特殊的天体，它的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。

5.中子星

1968年在SN10遗迹即蟹状星云中发现一颗脉冲星(即中子星)

质量比太阳大8倍的恒星，它在爆发坍缩过程中产生的巨大压力，使它的物质结构发生巨大的变化。在这种情况下，不仅原子的外壳被压破了，而且连原子核也被压破了。原子核中的质子和中子便被挤出来，质子和电子挤到一起又结合成中子。最后，所有的中子挤在一起，形成了中子星。显然，中子星的密度，即使是由原子核所组成的白矮星也无法和它相比。在中子星上，每立方厘米物质足足有一亿吨重甚至达到十亿吨。

6. 黑洞

2011年8月24日报道，天文学家近日首次抓拍到黑洞吞噬恒星的过程。

黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。当恒星的半径小到一定程度时，就连垂直表面发射的光都无法逃逸了。这时恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光无法逃逸，所

以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或

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推测到它的存在。

恒星的一生

当我们观看天穹上的恒星时，我们会得到恒星很少变化的印象。确实，我们今天所看到的星空与我们的古人在5000年前所看到的并无显著区别。那时的人们首先把恒星同诸如与巨熊相似的大熊座、与公牛相似的公牛座、与螃蟹相似的巨蟹座等星座相联系。

但是，恒星在变化，就象我们人类一样，有它的诞生、成长和死亡。与我们人类的几百万年历史相比，恒星的寿命是太漫长了，所以我们只是偶尔看到恒星在我们眼前变化。

然而，天文学家却能通过辨认处于不同时期的恒星来推断恒星的一生经历。类推法能提供一种思路。设想有一个火星人来到地球上，只在一群买东西的人中间停留片刻，所以看不出有人在他面前变老，但他看到了许多处于不同时期的人：婴儿、老人、中年人、妇女。根据这些情况，火星人就可推断出人们是如何由小到大并最终进入生命的终点的。

类似的，天文学家能够辨认出正在诞生的恒星、处于中年的恒星和垂死的恒星。那么，天文学家是如何知道一颗恒星正处于它一生中的那个时期的呢？这个答案来自基于物理定律详述恒星一生的理论。这个“恒星演化”理论是20世纪自然科学的伟大成就之一。

恒星是从无限的宇宙中诞生的

恒星是从弥漫在整个宇宙中稀薄气体中诞生的。这种气体主要是是氢原子所组成，还含少量的氦。在有些地方，这种气体一块聚集在十分浓厚的气体云之中。

根据引力理论，这种气体云的自身引力把它自身吸引住。这会把气体云往自身内部拉，把它压缩得具有更高的密度。气体云的中心应是最浓密的区域。天学家料想到，在那里有些气体凝聚为一个个单独“气团”。每个气团都依靠它自身引力保持在一起。当气体被压缩时，它就变得更热，以致在每个气团的中心处温度上升到1000万度（绝对温度），热得足以进行热核反应。这种核反应把氢聚变为氦并产生出巨大的能量。其结果使气团开始发光：一颗恒星就诞生了。

遗憾的是普通望远镜不能真切地向我们展示恒星在星际气体云中诞。问题出在那些与气体一起分布在宇宙空间中象烟灰微粒那样大小的尘埃。在尘埃比较集中的浓厚的气体云中，尘埃微粒吸收通过气体云的光。其结果是,我们能在遥远的恒星背景上看到如一个暗斑似的星云。最著名的暗星云就是烟袋星云,它在南半球用肉眼就看得见。尘埃也妨碍我们看出正在诞生恒星的暗星云中在发生什么事情。

最近几年,天文学家解决了这个问题。他们制成了能辨认红外辐射的望远镜,用以代替光学望远镜。在宇宙空间中,尘埃微粒并不吸收红外辐射,所以红外望远镜能辨认出来自浓厚气体云中的红外辐射,可以\"看到\"恒星在那里诞生。在红外望远镜中,最有成效的是安装在1983年射入轨道的一颗人造卫星的窗舷上的那架望远镜。红外天文卫星(IRAS)发现数以千计的年轻的恒星隐藏在星云深处。

天文学家发现,气团以差别很大的方式瓦解。气团的中心部分很快地往里收缩,而其外部则以较慢的速度随之收缩。气团也在缓慢地自转,但随着气团外部往里收缩,它如同慢速旋转的滑冰者将手臂收拢时开始加快旋转。其结果是,这个内部转得迅速的气团形成一个园盘,在其中心处气体被压缩得足以通过核反应而形成恒星。在这个园盘里,分布其中的气体和尘埃最终形成一系列环绕新生恒星的行星。

一旦恒星发光,它就产生一股强烈的热气体\"风\沿着不同的方向从园盘的上下左右向外涌流,远离从观察者看来是隐藏着恒星的大部分原始气体云。于是,我们就能用一架普通望远镜看到这些年轻的恒星。它们照亮了来自原始星云的最后的小块气体,使它象一个亮星云那样发光。 每个围绕着一颗年轻恒星的星云在天穹上形成一些最美妙的图形。最著名的是猎户座星云,在冬季你在欧洲可以用肉眼看到它,就象一个模糊的斑痕处于巨大的猎户星座的星带之下。

恒星一生的主要时期：主序星阶段

当一颗恒星诞生时,它是一个主要由氢组成的炽热的气体球。它之所以发光是因为在其中心处进行着把氢聚变为氦的核反应。从这个意义上说,所有的新生恒星是相同的。

从恒星内核中的氢点燃到全部变成氦的整个过程，恒星都处在赫罗图的主星序上。主序星的能源主要是恒星核中的氢聚变。由于恒星中氢的含量很大，并且氢聚变为氦的反应比较平缓，所以恒星在主星序上可以停留很长时间。事实上，主序星阶段是恒星一生中最长的阶段。这就是在各类恒星中，主序星占了大多数的原因。从另一方面说，标志一颗恒星的最重要的东西是它的质量,即它所包含的物质数量。一颗恒星的质量在它诞生时就被确定,它决定着恒星的寿命和最终结局。

我们的太阳是一颗十分典型的恒星,现在正处于中年,它已成为测量别的恒星的一把方便的尺子。例如,一颗恒星重20000亿亿亿吨,我们可以换句话把它说成有10个太阳那样重。按照这个标准,新生的恒星包括一个很宽的范围:从0.07个太阳那样重到100个太阳那样重。 在最重的恒星中,核反应进行得最快,因为它的核心最重、压缩得最紧密。较重的恒星就是较亮的恒星,具有较热的表面。我们可以把这些恒星依照一个明确的次序进行排列。大多数恒星属于主序星这种类型。

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其末端是比太阳为轻的恒星,表面温度只有3000度。处于主星序顶端的是重恒星,发光有10个太阳那样亮,表面温度为30000度或30000度以上。

恒星在把氢聚变为氦的过程中度过它一生的绝大部分时间。因此,主序星阶段确实是恒星的主要时期。恒星的一生在很大的程度上取决于它有多重。重的恒星消耗核材料快,不多久就耗尽它的氢燃料。轻的恒星尽管它提供的核材料较少,但它消耗得很缓慢,反而能用更长得多的时间。

恒星的寿命对我们来说是太长了,所以为了便于比较,我们可以再次把太阳作为参照物。根据理论推测,太阳作为一颗主序星总共要经历100亿年时间。最重的恒星的寿命为这个时间的千分之一。那些很轻的恒星的寿命大概至少要比太阳长100倍。

当一颗太阳那样的恒星死亡时，说它经历主序星阶段后就死亡是不对的。它不是在主序星阶段后再经历一个延伸阶段，而是膨胀为一颗比原来大100倍的巨星。其原因在于十分靠近恒星中心的地方，那里的核反应把氢聚变成了氦。就象一团火的灰那样，这个恒星的中心区域就不产生能量了。但核反应仍在环绕这氦核的一层“薄壳”内进行。计算表明，这种核反应产生比以更多的能量。这种格外多的能量透过恒星向外释放时，导致恒星的外部发生膨胀。当恒星的外壳冷下来时,它就发红光,因而被称为\"红巨星\"。如果我们可以把整个红巨星切开,那么我们就会发现,它有一个很小很密的核和一个很大的稀薄气体外壳。 与主序星相比,红巨星是不寻常的,因为它们非常巨大,所以它们看起来很明亮，并在我们的视野里显得很引人注目。最著名的红巨星是猎户座中的参宿四;另一个是天蝎座中的大火,其希腊名称的意思是\"火星的竞争者\因为它具有灿烂的红色。

恒星变成红巨星后不久难以维持它的巨大的外壳，会变得不稳定起来,外层气体最终进入宇宙空间。这些气体在完全消失之前形成一个环绕垂死恒星的气泡,其情景犹如一个在宇宙中发光的烟环。天文学家把这种气泡叫做\"行星状星云\因为当你用一架小望远镜观察时,它们看起来很象一颗行星。

在这种恒星的外壳消失之后,我们能看到这个很小很热的核。其直径只有太阳的千分之一,不如行星地球大,它热得发白光。天文学家把它叫做\"白矮星\"。因为白矮星非常小,呈现为天穹上一种相当暗淡的天体,因而很难发现。

当白矮星成为另一颗恒星的伴星时,天文学家在追踪白矮星方面是相当成功的。首先发现的是大犬座α的伴星,大犬座α是全天最亮的星,因为它就是众所周知的\"天狼星\所以它的小伴星通常被称为\"酒店\"。

一颗白矮星产生任何一种能量的时间都比较短。它发光仅仅是因为它开始形成时是如此之热。随着时间的推移,它逐渐冷下来,褪为黄色、桔黄色和红色,直至象一团火中将熄灭的烟灰那样,从视野中逐渐全部消失。

超新星！在宇宙中的一种爆发！

正如1987年天文学家在南半球所看到的那样,大质量恒星具有一种非常戏剧性的结局。一颗以前只有用强威力望远镜才看得见的恒星突然爆发,发光亮得用肉眼就很容易看到。这颗恒星变为一颗超新星而死亡。

一颗大质量恒星在度过了它的主序星阶段之后,会变成一颗红巨星并开始往一颗超新星发展。当一颗大质量恒星用完它核心中的氢之后,就膨胀成为核心完全是氦的红巨星。但这并非是这个故事的结局。在这样一颗大质量恒星里面,温度和压力持续上升,直至氦元素聚变为碳元素。这种核反应产生额外多的能量以维持恒星发光。随着温度和压力的增加,致使碳变为更重的元素,如氖、硅，直到聚变成最稳定的铁为止。 在这一点上,恒星的核好象一个洋葱头, 从里到外具有铁、硅、氖、氦和氢的同心圈层。但这个过程不能带来能量补偿。如果你企图继续溶化铁核,那么这个反应并不产生能量,实际是带走能量。所以,恒星的中心这时是不稳定的。在不过几秒钟内,它完全坍塌。来自坍塌而来的核能波在超新星爆发时摧毁了这颗恒星。

中子星和黑洞

那么一颗超新星的核坍塌将会发生怎样的情况呢?在20世纪30年代,两位在美国工作的天文学家佛里茨.兹维基和沃尔特.贝特猜想到,它会收缩成一个比白矮星还小的球体,完全由比原子还小叫做中子的粒子所组成。

数十年来,这一直是一种理论上的设想。直到1967年秋季的一天,坎布里奇的两位天文学家托尼.休伊特和乔斯林.贝尔获得了来自天空的有规律的信号。他们打消了可能是\"小绿人\"企图与地球取得联系的想法,现实地改变成认为,他们发现了宇宙中某种天然的光时灯。这种光时灯射出来的光束如同一只旋转灯所发出的闪光。坎布里奇辨的天文学家认出来的这种信号来自一个每秒自转一圈、发射着一束束射电波的宇宙光时灯。根据我们现有知识,只有一种恒星能小得足以如此迅速地旋转,这就是中子星。

现在天文学家己找到数以百计的旋转着的中子星(也就是所谓的脉冲星,因为它们有规律地发射射电波\"脉冲\"),其中之一就是位于蟹状星云的中子星。螺旋形的蟹状星云则是900年前爆发的一颗超新星的遗迹。 一颗中子星的直径只有25公里,其中的物质紧紧地挤压在一起,以致于从中子星里取一块针头那么大的物质就会有100万吨质量。它的引力是如此之强,以致使企图在中子星上着陆的宇航员被压扁,摊开成只有一个原子那么薄的一层。

白矮星和中子星可能看起来极其异乎寻常,但理论却预言会有一种更奇异的\"恒星死尸\":即一个黑洞。 如果一颗超新星坍塌而成的核太重(比三个太阳还重),那么它就不能以中子星作为结局。它自身的引力是如此之强，,以致它的核继续坍塌,直至成为一个没有大小、密度极大的数学上的点。围绕这个点有一个

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直径只有几公里的区域,这里引力强得使任何东西、甚至于连光都不能逃逸出去,这就是黑洞。它之所以\"黑\是因为它连光也不能逃逸出去,即使如果你企图照亮它,那么这个黑洞也会吞咽来自你的火炬的光束。它之所以是一个\"洞\是因为你投入任何东西都会再也出不来了,即使是你可以与之紧紧捆在一起的强大的正在发动的火箭也是如此。

天文学家在20世纪30年代同时预言了中子星和黑洞。但只是在前几年天文学家才发现黑洞的某些证据。在天鹅座有一个强大的X射线射电源,叫做天鹅X-1。天文学家在天穹的这一点上发现有一颗恒星。这颗恒星本身很平常,并不能产生X射线。但问题并不在于这颗恒星本身。它在围绕一颗用普通望远镜看不见的伴星摆动。通过仔细观察这颗可见的恒星,天文学家发现,它那颗看不见的伴星正起着一颗有10个太阳那样重的天体的吸引作用。对中子星来说,这个天体是太重了,所以唯一的可能是,它就是一个黑洞。

新生！新元素的出现!

超新星的爆发并不象征着死亡和毁灭。由于超新星的爆发,把气体驱散到宇宙空间中去,再凝聚成星云。引力可以在这里起作用,使气体星云收缩并凝聚成为一颗恒星。所以一颗恒星就象一只长生鸟,一颗成为超新星的恒星的死亡,可以促使新一代恒星的诞生。当一颗恒星死亡时成为一个行星状星云或超新星时，它把新元素播撒到宇宙中去。诸如碳、铁、金以及甚至是铀和别的放射性元素之类的新元素是在恒星生存时期或是垂死挣扎时增添的。所以,这些新生恒星将包含较少的氢和较多的新增元素。

现在天文学家确信,当宇宙在大爆炸中开始时,这些气体几乎全是氢和氦。垂死的恒星形成所有别的元素,包括形成地球的硅、氧、铁和构成我们身体的碳和其他元素。所以,我们应把我们不寻常的存在归功于过去若干代恒星的产生与死亡。

约等于1个太阳 气体星云 主序星 质量大于1个太阳

红巨星 白矮星 暗矮星 1.44—2太阳质量 中子星 超红巨星 白矮星 超过3个太阳质量 黑洞 8

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