恒星结构及演化课件

恒星结构及演化恒星结构及演化 程福臻 中国科学技术大学天体物理中心 恒星结构及演化 程福臻1一一.恒星在天体物理学中的作用恒星在天体物理学中的作用 引力 宇宙 宇宙学 星系 星团 年龄和组成 提供能量恒星恒星 核反应 恒星演化 合成元素 陨星学 太阳系的形成 大气层 气候 磁层 太阳 太阳风 行星际介质 转动的制动 电磁辐射 生命 一.恒星在天体物理学中的作用 2二二.观测事实观测事实1.恒星分类恒星分类2.赫罗图赫罗图3.距离距离4.温度温度5.半径半径6.质量质量二.观测事实1.恒星分类31.恒星分类哈佛分类法(对应恒星大气的平均温度)TiO ZrO (3.0 x103-2.0 x103K)S 红极热兰 C线 热兰 兰白 白 白黄 黄 桔 红 WC (4x104-2.5x104K)(1.15x104-7.7x103K)(6.0 x103-5.0 x103K)(3.6x103-2.6x103K)WN O B A F G K M N线 (2.5x104-1.2x104K)(7.6x103-6.1x103K)(4.9x103-3.7x103K)（6x104K)早型 中型 晚型 红 红 次型 B0,B1-B9,(几乎连续变化）R N dG5 矮星 (5.0 x103-4.0 x103K)(3.0 x103-2.0 x103K)gG2 巨星 碳星（C CN)cB1 超星 吸收带强 吸收带弱 Be 有发射线观测事实观测事实1.恒星分类哈佛分类法(对应恒星大气的平均温度)观测事实42.赫罗图 1913年美国天文学家赫茨普龙、罗素各自独立绘出亮星的光度温度图，发现大多数恒星分布在图中左上方至右下方的一条狭长带内，从高温到低温的恒星形成一个明显的序列，称为“主星序”。为了纪念两位科学家作出的贡献，人们称这种图为赫罗图(HR-diagram)。该图显示出恒星的光度和表面温度随时间变化的情形，横坐标是恒星的光谱型，按照O、B、A、F、C、G、K、M顺序排列，是恒星的温度序列。纵坐标是绝对星等，即恒星光度。大多数恒星集中在主星序,少数集中在右边中部组成巨星序，一些光度特别大的超巨星分布在图的上方。那些温度高、光度弱的白矮星集中在左下方一个较密集的区域赫罗图对研究恒星的演化有重要作用。观测事实观测事实2.赫罗图 1913年美国天文学家赫茨普龙、罗观测5赫罗图光度与温度关系。虚线与箭头标出了所预言的太阳演化曲线观测事实观测事实赫罗图光度与温度观测事实63.距离 距离范围太阳系（40AU)邻近恒星（109K 中微子（能量损失）中微子（能量损失）五.恒星中的核合成1.氢燃烧 26氢燃烧 温度大约为107K PP Chain恒星中的核合成氢燃烧 温度大约为107K PP ChainPPI27氢燃烧 PPI PPII+PPIII PPII PPIII 10 15 23 T6 CNO Bi-cycle PP Chain 15 18 20 T6恒星中的核合成氢燃烧恒星中的核合成28e燃烧 过程当 时才有可能足够的C12生成后可能发生超过N20的几率很小恒星中的核合成e燃烧 过程当 29C燃烧MC 时才有可能此时温度大约为6x108K13.931Mev2.238Mev4.416Mev-2.605Mev 吸热-0.114Mev恒星中的核合成C燃烧MC 时才30O16燃烧MC 此时温度大约3x109K重元素起源恒星中的核合成O16燃烧MC 31中微子能量损失温度大于109 K,各种复杂反应出现恒星中的核合成中微子能量损失温度大于109 K,各种复杂反应出现恒星中的核32六.恒星演化 根据弥漫说的理论，恒星形成可分为两个阶段，开始时先由极其稀薄的物质凝聚成星云并进一步收缩成原恒星，然后原恒星才发展成为恒星。原恒星在引力作用下收缩时，将变得越来越密，当中心区温度达到氢点火，便达到主星序。具体停留在主星序的什么位置，决定于原恒星的初始质量。在质量的原恒星将停留在主星序的上部，较小质量的则停在较下部分（赫罗图）。而对于质量小于0.08个太阳质量的天体由于靠自身引力不能压缩它的中心达到足够高的温度，从而使氢点火，因而它们不能成为恒星。星际气体星际气体 冷却和引力不稳定 原恒星原恒星 主序星主序星 热核反应（H He)平稳抛 红巨星红巨星 元素合成及中微子产生 射物质 轻恒星 爆发性 重恒星 抛射物质 超新星爆发超新星爆发 白矮星白矮星 弥散到星际空间弥散到星际空间 中子星中子星 黑洞黑洞重元素丰度增加 恒星演化进程图六.恒星演化 根据弥漫说的理论，恒星形成 33恒星结构及演化课件34因此有必要对不同质量的恒星分别讨论。根据恒星的质量可分成三类小质量恒星中等质量恒星大质量恒星 需要指出的是这三类恒星的界线并不是十分严格的，这是因为其它因素也会恒星的演化起到十分重要的影响。恒星演化按质量的分类质量（）最终阶段 主要现象0.08以下 氢白矮星 氢未燃烧0.080.5 氦白矮星 氦未燃烧0.51.0 碳白矮星 碳未燃烧1.0-3.0 碳白矮星 红巨星、损失能量，较轻的星3-8 爆发 碳爆发燃烧型超新星8-30 中子星 中心铁核，超新星爆发30-100 黑洞 坍缩为黑洞 351.小质量恒星的演化1.对于 小质量恒星在赫罗图上的演化 (5)(4)(3)(2)(1)(6)白矮星(1)主序星主序星(2)向红巨星演化向红巨星演化(3)氦闪氦闪(4)水平分枝水平分枝(5)渐近巨星分枝渐近巨星分枝AGB(6)向红超巨星演化向红超巨星演化有效温度有效温度Te光光度度L1.小质量恒星的演化1.对于 36小质量恒星的演化(1)中心H燃烧，此时处于主序阶段(2)向红巨星演化 中心的氢己全部燃烧完而变成一个氦核，在氦核的外边缘处出现一氢燃烧壳层。当星核的氢耗尽后，热仍继续发出，由于无核燃料补充这一亏损，核心便收缩，由此引起核心和核心上的层加热。结果在氢变为氦之外的壳层又燃烧氢。由于氦未燃烧，它损失能量便继续收缩，这种收缩又使壳层中由氢变为氦的灰烬更多地进入星核。这种缩小使得星核界面处的引力越来越强，氢壳层受到的引力也越来越强，但它受到的压力仍等于它上面的柱体中的物质的重量，所以壳层中的压强也随之增大。而压强的增加使得壳层中的密度和温度相应地就变大，这便提高了氢的燃烧速率。HeHH小质量恒星的演化(1)37小质量恒星的演化这样我们会看到在这个过程中中心氦向内收缩，而壳层源外部的外壳向外膨胀，这使得中间层变大，对于给定的光度，由 可看出R的增大必然会降低Te因此主序后的星在赫罗图上的演化是从主序移向右端的。由于表层的膨胀和变冷便呈红色，但红星的Te不能无止境地降下去，光球阻止随着温度下降而光子会迅速渗出。因此，这时在赫罗图上表现为几乎垂直上升到巨星支。随着红巨星光度的增加，辐射辐射耗散变得不稳定，红巨星的包层发生对流。当红巨星的核心再收缩时，温度可高达108K，于是氦点火，过程开始。(3)氦闪(4)降到水平分枝 这种核心燃烧氦、壳层燃烧氢的状态称为水 平支HeH小质量恒星的演化这样我们会看到在这个过程中中心氦向内收缩，而38小质量恒星的演化低质量星核心氦的点火是在简并条件下，因此它缺少主序星核心氢燃烧时的安全阀的特性（即小温度较高将导致压力改变，从而降低温度），红巨星的压力升高是由于简并主效应，不是由于热效应，使得星核的温度升高导致更多的核能产生，即 温度升高 更多核能产生 温度更高于是产生“氦闪”，氦闪时温度升高到足以改变简并态，正常气体又超过简并压，星核又膨胀，膨胀的结果降低了星核边界处的引力，从而减弱了燃烧氢的壳层，光度也随之降低，光度的降低使红巨星难以呆在红巨星处，于是收缩且光度本质上变得较暗,在赫罗图上表现为降到水平分枝。从这以后星核成为正常的（非简并）氦等离子体，它稳定地变为碳。(5)升到渐近巨星枝(AGB)向红超巨星演化C，OHeH小质量恒星的演化低质量星核心氦的点火是在简并条件下，因此它缺39 当水平分枝核心的的氦燃尽后，核心收缩，从而升高外层的压力和温度。核心外层氦点火，氢由在此之个层燃烧，现在恒星处于双壳层燃烧阶段。最里面的碳-氧核心的质量继续增加，并继续收缩。由于双壳层燃烧产能而增加光度，外部包层发生膨胀，恒星又上升到红巨星分支，这种双壳层产能相称为渐近巨星支（AGB)。由于星核收缩再次发生电子简并（而星核现在是一颗热的碳-氧白矮星），又因增加了另外一些灰烬，简并核的质量比以前要大，所以它的半径更小，重叠的壳层却变得更大，从而光度更大，在双层燃烧的结束阶段便形成超巨星。(6)行星状星云和白矮星 对于 的小质量星，中心核氦燃烧结束后形成的C-O核是电子简并的，并且C-O核的质量小于临界质量，由于在氦壳层源外部的外壳质量不是很大，特别是在AGB阶段后期出现的超星风，可以使物质大量损失，因此氦燃烧壳层源不容易使简并 C-O核的质量增大到临界质量，这样，C-O核的收缩不会使温度升高而发生碳燃烧。所以对此质量的星体经过AGB阶段后，外壳物质大量流失，壳层燃烧源迅速靠近表面而消失，恒星的演化轨迹则转向在方运动，恒星变为恒星状星云，最后演化成为C-O白矮星。2.对于质量小于0.5个太阳质量的小质量星，在氢燃烧结束后形成的氦核子简并的，并且氦核的质量小于临界质量。同样由于在氦壳层源外部的外壳质量很少，氢燃烧壳层源不可能使氦核的质量增大到临界质量，因而当电子简并的氦核收缩时，不会使温度升高，也不会发生氦燃烧，所以对此质量的恒星将演化为氦白矮星。当水平分枝核心的的氦燃尽后，核心收缩，从而升高外层的压力40行星状星云(planetary nebulae)低质量恒星在死亡时抛出的气体包层，受到中心高温白矮星的辐射电离而发光 通常为环形，年龄不超过5104 yr行星状星云(planetary nebulae)低质量恒星41螺旋星云 Helix Nebula 螺旋星云 Helix Nebula 42Ring Nebula Ring Nebula 43哑铃星云Dumbbell Nebula 哑铃星云Dumbbell Nebula 44Cats Eye Nebula Cats Eye Nebula 45沙漏星云沙漏星云46蝴蝶星云蝴蝶星云472.中等质量恒星的演化以5 的星为例说明中等质量星由主序开始的演化情况A 主序阶段主序阶段BC赫罗图空隙区DEFGHKLM氦燃烧阶段造父脉动带AGB阶段2.中等质量恒星的演化以5 的星为例说明中等质量星由481.主序阶段 图中由A点至C点为恒星中心核内发生氢燃烧阶段，即主序阶段。中心核的氢燃烧产要是CNO循环过程。由B点到C点是使中心核内氢完全耗尽，并且对流逐渐停止的过程。当演化到C点时，中主核内氢完全耗尽，对流完全停止，中心核变氦核，同时在中心核外部边缘出现一氢燃烧的壳层。2.跨越赫罗图中的空隙区 从C点到D点是恒星以较快的演化速度跨越赫罗图中的空隙区。在这个阶段中的特点是：恒星中心有一个未燃烧的等温氦核，氦核的外部边缘处有一个氢燃烧的壳层源。壳层源内部的氦核迅速向内收缩，而壳层源以外的外壳则迅速向外膨胀。出现了以壳层源为镜面的”镜反射“现象（如图）。由于恒星外壳迅速膨胀，恒生的半径迅速变大，表面温度 降低，颜色变红，所以在赫罗图中恒星迅速演化到红巨星 分枝。又因为恒星停留在这个阶段的时间很短，所以在赫 罗图中的这个区域很难观测到恒星的分布，称为赫罗图 中的空隙区。由于氦核的收缩，中心区的温度不断升高，当到达D点时，恒星中心温度己升高到108K，从而氦开始燃烧。1.主序阶段493.氦燃烧阶段由D点经E点、F点到G点过程为氦燃烧阶段，氦燃烧的主要产物是C12、O16 需要指出的是由E到F和由F到G恒星自右向左和自左向右两次穿过造父脉动带，恒星在进入造父脉动带后，外壳中氢和氦的电离区内产生激发脉动的机制，使恒星产生径向及脉动而变成造父脉动变星。但在恒星演化轨迹离开造父脉动带后，它又恢复到正常情况。4.氦燃烧以后的演化G点以后，恒星内有两 个壳层源。中心的C-O核向内收缩，两个壳层源之间的氦区膨胀，而氢壳层源外部的恒星外壳收缩，于是恒星在赫罗图中向左运动。当到达H点时，氢壳层源向外移到了温度较低的区域，使氢燃烧停止，这时恒星内部只有一个氦燃烧壳层源。氦壳层源以内的C-O核继续向内收缩，而氦壳层以外的恒星外壳向外膨胀，于是恒星的演化轨迹又转向右。5.AGB阶段K点以后在氦壳层源之外，又出现了一个氢壳层源，并且恒星的主要能源由氢壳层C-O源提供。在氦壳层内的C-O核是电子简并的，随着C-O核质量 的增加，恒星的光度L升高很快，恒星在赫罗图中的演化轨迹沿着渐近巨星分枝（AGB),向K、M、L方向运动。在AGB演化阶段的晚期，恒星会产生非常巨大的星风，它的出现可以使恒星损失大量的外壳物质。3.氦燃烧阶段506.可能的演化结局初始质量小于 的恒星，氦燃烧结束后形成的简并 C-O核的质量小于临界质量，并且氦壳层燃烧也不能使其增大到临界质量，因此它们将演化成C-O白矮星，这类星将占恒生的绝大多数。初始质量大于或等于8个太阳质量的恒星，其演化结局成为超新星的可能性比较大，但也可能成为白矮星，这取决于AGB阶段后期超星风造成的物质损失的多少。6.可能的演化结局513.大质量恒星的演化与中小质量恒星不同的是，大质量恒星在经过氢燃烧与氦燃烧以后生成的碳、氧核是电子非简并的，因而当发生碳燃烧时，中心核不会出现剧烈的闪耀现象，大质量恒星演化归宿极大可能是超新星爆发。大质量恒星有强大的星风物质损失，它可使其在演化过程中将外壳层大部分或全部分损失掉，暴露出内部的核。此外，星风物质损失还对恒生内部的结构产生重要的影响，造成大质量的赫罗图中的演化轨迹有特殊变化。由于大质量恒星在演化过程中不断物质损失到宇宙空间，特别是演化的后期，不断将内部热核反应产生的重元素抛到宇宙空间，因而大质量星又是产生星际介质的重要来源，特别是重元素的重要产生源。不同质量范围的大质量恒星的演化途径3.大质量恒星的演化与中小质量恒星不同的是，大质量恒星在经过52恒星结构及演化课件53大质量恒星的演化演化表现：O型星蓝超巨星黄超巨星红超巨星超新星 大质量恒星的演化演化表现：54大质量恒星的一生大质量恒星的一生55恒星初始质量(M)演化结局 0.01行星0.01 M 0.08褐矮星0.08 M 0.25He白矮星0.25 M 8CO白矮星?8 M 12ONeMg白矮星?12 M 40超新星黑洞?不同质量恒星的演化结局恒星初始质量(M)演化结局 0.01行星0.01 Rg，0/1GM/c2R 时间延迟 在黑洞附近的时钟比远处的时钟走得慢在视界处的时钟看上去完全停止 黑洞面积不减定理 黑洞可以合并，不可以分裂 黑洞的性质引力红移77黑洞的结构Schwarzschild黑洞的结构中心奇点(singularity)视界(event horizon)半径为Rs的球面在视界内的任何信息无法向外传递 光层(photosphere)半径为1.5 Rs的球面各向同性辐射光子中的一半可以逃逸黑洞的结构Schwarzschild黑洞的结构78黑洞的观测证据恒星级黑洞X射线双星星系级黑洞(M106-109 M)星系核心黑洞的观测证据恒星级黑洞X射线双星79 七.恒星演化的观测证据 星团(star cluster)及其H-R图 恒星在天空中的分布有聚集成团的现象 七.恒星演化的观测证据 星团(star cluster)及80形态不规则大小6-50 ly质量102-103 M恒星密度0.1-10 M ly-3/010-50空间分布银道面附近Z 200 pc成员星年轻、中等年龄恒星昴星团（Pleiades）疏散星团(open clusters)形态不规则大小6-50 ly质量102-103 M恒星81形态球形或扁球形大小60-300 ly质量104-107 M恒星密度1-100 M ly-3/050-103空间分布以银心为球心的球状分布，d 35 kpc成员星年老的、贫金属恒星Omega Centauri 球状星团(globular clusters)形态球形或扁球形大小60-300 ly质量104-10782星团的H-R图昴星团（Pleiades）Omega Centauri星团的H-R图昴星团（Pleiades）Omega Cent83 星团H-R图和理论H-R图的比较 星团中的恒星具有相同的距离、年龄和初始化学组成，但成员星的质量不同，因而演化的速度有快有慢星团中的恒星按照质量大小的次序先后脱离主序 星团H-R图和理论H-R图的比较 星团中的恒星具有相同的距84模拟星团的演化模拟星团的演化85不同星团在H-R图上的分布赫氏空隙星团在H-R图上脱离主序点(turn-off point)的位置反映了它们的年龄和距离不同星团在H-R图上的分布赫氏空隙861.原初元素H,He和少量的Li,B,Be，形成于宇宙大爆炸初期 2.恒星内部的核合成(nuclear synthesis)燃烧过程产物温度(K)最小质量（M）H燃烧He21070.1He燃烧C,O21081C燃烧O,Ne,Na,Mg81081.4Ne燃烧O,Mg1.51095O燃烧Mg-S2.010910Si燃烧Fe峰元素3.010920恒星演化与元素合成1.原初元素H,He和少量的Li,B,Be，形成于87 谢谢大家！恒星结构及演化课件88