恒星結(jié)構(gòu)及變化

1、 世界上有兩件東西能夠深深世界上有兩件東西能夠深深地震撼人們的心靈，一件是我們地震撼人們的心靈，一件是我們心中崇高的道德準(zhǔn)則，另一件是心中崇高的道德準(zhǔn)則，另一件是我們頭頂上燦爛的星空。我們頭頂上燦爛的星空。 - 康德康德 程福臻程福臻中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天體物理中心中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天體物理中心2009.12.8一一. . 恒星在天體物理學(xué)中的作用恒星在天體物理學(xué)中的作用二二. . 觀測(cè)事實(shí)觀測(cè)事實(shí)三三. . 太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)圖太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)圖四四. . 恒星結(jié)構(gòu)的基本方程組恒星結(jié)構(gòu)的基本方程組五五. . 恒星中的核合成恒星中的核合成六六. . 恒星的演化恒星的演化七七. . 恒星演化的觀測(cè)證據(jù)恒星演化的觀測(cè)

2、證據(jù) 一一 . .恒星在天體物理學(xué)中的作用恒星在天體物理學(xué)中的作用 引力引力 宇宙宇宙 宇宙學(xué)宇宙學(xué) 星系星系 星團(tuán)星團(tuán) 年齡和組成年齡和組成 提供能量提供能量恒星恒星 核反應(yīng)核反應(yīng) 恒星演化恒星演化 合成元素合成元素 隕星學(xué)隕星學(xué) 太陽(yáng)系的形成太陽(yáng)系的形成 大氣層大氣層 氣候氣候 磁層磁層 太陽(yáng)太陽(yáng) 太陽(yáng)風(fēng)太陽(yáng)風(fēng) 行星際介質(zhì)行星際介質(zhì) 轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng) 電磁輻射電磁輻射 生命生命 恒星對(duì)于宇宙恒星對(duì)于宇宙就像就像原子對(duì)于物質(zhì)原子對(duì)于物質(zhì)二二. . 觀測(cè)事實(shí)觀測(cè)事實(shí)1.1.1.恒星分類恒星分類恒星分類恒星分類恒星分類恒星分類2.2.2.赫羅圖赫羅圖赫羅圖赫羅圖赫羅圖赫羅圖3.3.3.距離距

3、離距離距離距離距離4.4.4.溫度溫度溫度溫度溫度溫度5.5.5.半徑半徑半徑半徑半徑半徑6.6.6.質(zhì)量質(zhì)量質(zhì)量質(zhì)量質(zhì)量質(zhì)量1. 恒星分類恒星分類哈佛分類法哈佛分類法(對(duì)應(yīng)恒星大氣的平均溫度對(duì)應(yīng)恒星大氣的平均溫度) TiO ZrO (3.0 x103-2.0 x103K) S 紅紅極熱蘭極熱蘭 C線線 熱蘭熱蘭 蘭白蘭白 白白 白黃白黃 黃黃 桔桔 紅紅 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線線 (2.5x104-1.2x104K)

4、(7.6x103-6.1x103K) (4.9x103-3.7x103K)（6x104K) 早型早型 中型中型 晚型晚型 紅紅 紅紅 次型次型 B0, B1-B9, (幾乎連續(xù)變化）幾乎連續(xù)變化） R N dG5 矮星矮星 (5.0 x103-4.0 x103K) (3.0 x103-2.0 x103K) gG2 巨星巨星 碳星（碳星（C CN) cB1 超星超星 吸收帶強(qiáng)吸收帶強(qiáng) 吸收帶弱吸收帶弱 Be 有發(fā)射線有發(fā)射線2. 赫羅圖赫羅圖 1913年美國(guó)天文學(xué)家赫茨普年美國(guó)天文學(xué)家赫茨普龍、羅素各自獨(dú)立繪出亮星的光龍、羅素各自獨(dú)立繪出亮星的光度度溫度圖，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)恒星分溫度圖，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)恒星

5、分布在圖中左上方至右下方的一條布在圖中左上方至右下方的一條狹長(zhǎng)帶內(nèi)，從高溫到低溫的恒星狹長(zhǎng)帶內(nèi)，從高溫到低溫的恒星形成一個(gè)明顯的序列，稱為形成一個(gè)明顯的序列，稱為“主主星序星序”。為了紀(jì)念兩位科學(xué)家作。為了紀(jì)念兩位科學(xué)家作出的貢獻(xiàn)，人們稱這種圖為赫出的貢獻(xiàn)，人們稱這種圖為赫羅圖羅圖(HR-diagram)。 該圖顯示出恒星的光度和表面該圖顯示出恒星的光度和表面溫度隨時(shí)間變化的情形，溫度隨時(shí)間變化的情形，橫坐標(biāo)橫坐標(biāo)是恒星的光譜型，按照是恒星的光譜型，按照O、B、A、F、G、K、M順序排列，是恒順序排列，是恒星的溫度序列?？v坐標(biāo)是絕對(duì)星星的溫度序列?？v坐標(biāo)是絕對(duì)星即恒星光度即恒星光度。等，等，赫

6、羅圖赫羅圖光度與溫度光度與溫度關(guān)系。關(guān)系。虛線與箭頭虛線與箭頭標(biāo)出了所預(yù)標(biāo)出了所預(yù)言的太陽(yáng)演言的太陽(yáng)演化曲線化曲線3. 距離距離 距離范圍距離范圍太陽(yáng)系（太陽(yáng)系（40AU)鄰近恒星（鄰近恒星（107.T107.T109 9 9K K K 中微子（能量損失）中微子（能量損失）中微子（能量損失）中微子（能量損失）中微子（能量損失）中微子（能量損失）677 101.5 10TKTKTK71.5 10882 1010KTK87 10TK91.5 10TK92 10TK93 10TK氫燃燒氫燃燒 溫度大約為溫度大約為107K PP Chain11221333412HHDevDHHeHeHeHeH3477

7、77144HeHeBeBeeLiLiHHeHe71888842BeHBBBeevBeHe恒星中的核合成oror氫燃燒氫燃燒 PPI PPII +PPIII PPII PPIII 10 15 23 T6 CNO Bi-cycle PP Chain 15 18 20 T6 T （ ， ，）恒星中的核合成e燃燒燃燒 過(guò)程過(guò)程當(dāng)當(dāng) 時(shí)才有可能時(shí)才有可能足夠的足夠的C12生成后可能發(fā)生生成后可能發(fā)生超過(guò)超過(guò)Ne20的幾率很小的幾率很小30.03HeMM4488412HeHeBeBeHeC1241616420CHeOOHeNe恒星中的核合成C燃燒燃燒MC 時(shí)才有可能時(shí)才有可能此時(shí)溫度大約為此時(shí)溫度大約為6

8、x108K13.931Mev2.238Mev4.416Mev-2.605Mev 吸熱吸熱-0.114Mev0.8M242312122023162MgNapCCNeMgnO恒星中的核合成O16燃燒燃燒MC 此時(shí)溫度大約此時(shí)溫度大約3x109K重元素起源重元素起源1.4M323116163128242 SPpOOSnSiMg恒星中的核合成中微子能量損失中微子能量損失溫度大于溫度大于109 K,各種復(fù)雜反應(yīng)出現(xiàn)各種復(fù)雜反應(yīng)出現(xiàn)eeeevveevvvv光子中微子過(guò)程 電子對(duì)湮滅中微子過(guò)程 等離子體中微子過(guò)程 恒星中的核合成六六. . 恒星的演化恒星的演化 根據(jù)彌漫說(shuō)的理論，根據(jù)彌漫說(shuō)的理論，恒星形成恒

9、星形成可分為兩個(gè)階段，開(kāi)始時(shí)先由極其可分為兩個(gè)階段，開(kāi)始時(shí)先由極其稀薄的物質(zhì)凝聚成星云并進(jìn)一步收稀薄的物質(zhì)凝聚成星云并進(jìn)一步收縮成原恒星，然后原恒星才發(fā)展成縮成原恒星，然后原恒星才發(fā)展成為恒星。為恒星。 原恒星在引力作用下收縮時(shí)，原恒星在引力作用下收縮時(shí)，將變得越來(lái)越密，當(dāng)中心區(qū)溫度達(dá)將變得越來(lái)越密，當(dāng)中心區(qū)溫度達(dá)到氫點(diǎn)火，便達(dá)到主星序。具體停到氫點(diǎn)火，便達(dá)到主星序。具體停留在主星序的什么位置，決定于原留在主星序的什么位置，決定于原恒星的初始質(zhì)量。大質(zhì)量的原恒星恒星的初始質(zhì)量。大質(zhì)量的原恒星將停留在主星序的上部，較小質(zhì)量將停留在主星序的上部，較小質(zhì)量的則停在較下部分（的則停在較下部分（赫羅圖赫

10、羅圖）。而）。而對(duì)于質(zhì)量小于對(duì)于質(zhì)量小于0.080.08個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的天的天體由于靠自身引力不能壓縮它的中體由于靠自身引力不能壓縮它的中心達(dá)到足夠高的溫度，從而使氫點(diǎn)心達(dá)到足夠高的溫度，從而使氫點(diǎn)火，因而它們不能成為恒星?；?，因而它們不能成為恒星。 星際氣體星際氣體 冷卻和引力不穩(wěn)定冷卻和引力不穩(wěn)定 原恒星原恒星 主序星主序星 熱核反應(yīng)（熱核反應(yīng)（H He) 平穩(wěn)拋平穩(wěn)拋 紅巨星紅巨星 元素合成及中微子產(chǎn)生元素合成及中微子產(chǎn)生 射物質(zhì)射物質(zhì) 輕恒星輕恒星 爆發(fā)性爆發(fā)性 重恒星重恒星 拋射物質(zhì)拋射物質(zhì) 超新星爆發(fā)超新星爆發(fā) 白矮星白矮星 彌散到星際空間彌散到星際空間 中子星中子星 黑洞黑

11、洞重元素豐度增加重元素豐度增加 恒星演化進(jìn)程圖恒星演化進(jìn)程圖因此有必要對(duì)不同質(zhì)量的恒星分別討論。因此有必要對(duì)不同質(zhì)量的恒星分別討論。根據(jù)恒星的質(zhì)量可分成三類根據(jù)恒星的質(zhì)量可分成三類小質(zhì)量恒星小質(zhì)量恒星中等質(zhì)量恒星中等質(zhì)量恒星大質(zhì)量恒星大質(zhì)量恒星 需要指出的是這三類恒星的界線并不是十分嚴(yán)格的，這是因?yàn)槠渌蛩匦枰赋龅氖沁@三類恒星的界線并不是十分嚴(yán)格的，這是因?yàn)槠渌蛩匾矔?huì)對(duì)恒星的演化起到十分重要的影響也會(huì)對(duì)恒星的演化起到十分重要的影響。 恒星演化按恒星演化按初始質(zhì)量初始質(zhì)量的分類的分類質(zhì)量（質(zhì)量（ ） 最終階段最終階段 主要現(xiàn)象主要現(xiàn)象0.08以下以下 氫褐矮星氫褐矮星 氫未燃燒氫未燃燒0.0

12、80.5 氦白矮星氦白矮星 氦未燃燒氦未燃燒0.51.0 碳白矮星碳白矮星 碳未燃燒碳未燃燒1.0-3.0 碳氧白矮星碳氧白矮星 紅巨星、損失能量，較輕的星紅巨星、損失能量，較輕的星3-8 爆發(fā)爆發(fā) 碳爆發(fā)燃燒型超新星碳爆發(fā)燃燒型超新星8-30 中子星中子星 中心鐵核，超新星爆發(fā)中心鐵核，超新星爆發(fā)30-100 黑洞黑洞 坍縮為黑洞坍縮為黑洞0.082.3MMM2.38MMM8MMM1.小質(zhì)量恒星的演化小質(zhì)量恒星的演化1.對(duì)于對(duì)于 小質(zhì)量恒星在赫羅圖上的演化小質(zhì)量恒星在赫羅圖上的演化 (5) (4) (3) (2) (1) (6) 白矮星白矮星(1)主序星主序星(2)向紅巨星演化向紅巨星演化(

13、3)氦閃氦閃(4)水平分枝水平分枝(5)漸近巨星分枝漸近巨星分枝AGB 向紅超巨星演化向紅超巨星演化有效溫度有效溫度Te光光度度L0.52.3MMM行星狀星云行星狀星云 (planetary nebulae)低質(zhì)量恒星低質(zhì)量恒星在死亡時(shí)拋出的氣體包層，受到中在死亡時(shí)拋出的氣體包層，受到中心高溫白矮星的輻射電離而發(fā)光心高溫白矮星的輻射電離而發(fā)光 通常為環(huán)形，年齡不超過(guò)通常為環(huán)形，年齡不超過(guò)5104 yr螺旋星云螺旋星云 Helix Nebula Ring Nebula 啞鈴星云啞鈴星云Dumbbell Nebula Cats Eye Nebula 沙漏星云沙漏星云蝴蝶星云蝴蝶星云2.中等質(zhì)量恒星

14、的演化中等質(zhì)量恒星的演化以以5 的星為例說(shuō)明中等質(zhì)量星由主序開(kāi)始的演化情況的星為例說(shuō)明中等質(zhì)量星由主序開(kāi)始的演化情況MA 主序階段主序階段BC赫羅圖空隙區(qū)DEFGHKLMeLgT/LgL L氦燃燒階段造父脈動(dòng)帶AGB階段演化表現(xiàn) ：O型星藍(lán)超巨星黃超巨星紅超巨星超新星 3.大質(zhì)量恒星的演化大質(zhì)量恒星的演化大質(zhì)量恒星的一生大質(zhì)量恒星的一生恒星初始質(zhì)量 (M)演化結(jié)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?不同質(zhì)量恒星的演化結(jié)局不同質(zhì)量恒星的演化結(jié)局超新星超新星 分類：分類：I型型

15、（Ia, Ib/Ic）無(wú)無(wú)H線；線； II型型有有H線線. 光變曲線不同光變曲線不同 爆發(fā)機(jī)制：爆發(fā)機(jī)制： Ia超新星超新星爆發(fā)：爆發(fā)：雙星系統(tǒng)中雙星系統(tǒng)中，吸積白矮星坍縮和，吸積白矮星坍縮和C爆燃爆燃 Ib/Ic, II型超新星型超新星爆發(fā)：爆發(fā)：大質(zhì)量恒星大質(zhì)量恒星的核坍縮的核坍縮 超新星超新星1987A1987.2.23爆發(fā)于爆發(fā)于LMC (d = 170,000 ly)，是人類自是人類自望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以來(lái)第一顆憑望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以來(lái)第一顆憑肉眼發(fā)現(xiàn)的超新星肉眼發(fā)現(xiàn)的超新星前身星：前身星： Sanduleak 69202，B3 I I型型藍(lán)藍(lán)超超巨星巨星M 20 M ，L 105 L ，T 16,

16、000 K，R 31012 cm超新星超新星1987A的光變曲線的光變曲線在爆發(fā)前在爆發(fā)前1.8-3小時(shí)，小時(shí)，日本日本Kamioka和美和美國(guó)國(guó)IMB的的探測(cè)儀的的探測(cè)儀測(cè)量到測(cè)量到19個(gè)中微子個(gè)中微子超新星超新星1987A的中微子探測(cè)的中微子探測(cè)超新星爆發(fā)的大部分能量被超新星爆發(fā)的大部分能量被中微子中微子帶走帶走 中微子輻射能中微子輻射能51053 ergs 輻射輻射51058個(gè)中微子個(gè)中微子 爆發(fā)前爆發(fā)前20小時(shí)地球上每小時(shí)地球上每m2有有51014個(gè)中微子穿過(guò)個(gè)中微子穿過(guò)超新星超新星1987A的遺留物：的遺留物：環(huán)環(huán)狀星云狀星云環(huán)狀星云的結(jié)構(gòu)環(huán)狀星云的結(jié)構(gòu)超新星遺跡超新星遺跡超新星爆發(fā)

17、拋出的大量物質(zhì)在向外膨脹過(guò)程中超新星爆發(fā)拋出的大量物質(zhì)在向外膨脹過(guò)程中與星際物質(zhì)和與星際物質(zhì)和磁場(chǎng)磁場(chǎng)相互作用相互作用而形成的而形成的氣體星云氣體星云 強(qiáng)射電輻射和高能輻射源（同步加速輻射，激強(qiáng)射電輻射和高能輻射源（同步加速輻射，激波加熱）波加熱）年齡年齡 105 yr 形態(tài)分類：形態(tài)分類：殼層型殼層型（輻射主要來(lái)自纖維狀的球形殼層和星（輻射主要來(lái)自纖維狀的球形殼層和星際氣體的相互作用）際氣體的相互作用）混合型混合型（輻射來(lái)自遺跡整個(gè)區(qū)域，并且由中心（輻射來(lái)自遺跡整個(gè)區(qū)域，并且由中心的脈沖星提供能源）的脈沖星提供能源）蟹狀星云蟹狀星云典型的超新星遺跡典型的超新星遺跡Tycho Nebula 天

18、鵝圈天鵝圈 Cygnus LoopPuppis A 船尾座船尾座 A 脈沖星脈沖星中子星中子星的形成的形成 當(dāng)電子處于簡(jiǎn)并態(tài)時(shí)，由于當(dāng)電子處于簡(jiǎn)并態(tài)時(shí)，由于Pauli 不相容原理不相容原理 造成簡(jiǎn)并壓，可以對(duì)抗引力，形成白矮星；造成簡(jiǎn)并壓，可以對(duì)抗引力，形成白矮星； 當(dāng)白矮星的質(zhì)量大于當(dāng)白矮星的質(zhì)量大于2倍倍太陽(yáng)質(zhì)量太陽(yáng)質(zhì)量 p + e- n +e 電子數(shù)減少電子數(shù)減少 電子簡(jiǎn)并壓降低電子簡(jiǎn)并壓降低 加速核心坍縮加速核心坍縮 中子數(shù)增加中子數(shù)增加 原子核結(jié)合能降低原子核結(jié)合能降低當(dāng)當(dāng)n= 41011 gcm-3, 中子從原子核中滴出中子從原子核中滴出當(dāng)當(dāng)n= 1014 gcm-3, 原子核瓦解

19、，形成中子海洋原子核瓦解，形成中子海洋 ， 中子的簡(jiǎn)并壓可以對(duì)抗引力，形成中子星。中子的簡(jiǎn)并壓可以對(duì)抗引力，形成中子星。中子星的結(jié)構(gòu)中子星的結(jié)構(gòu)特征質(zhì)量特征質(zhì)量M 1.4 M , 半徑半徑R 10 km由外向內(nèi)依次為：由外向內(nèi)依次為：表層大氣表層大氣 cm外殼外殼 1 km, 固態(tài)金屬（固態(tài)金屬（Fe, e-）內(nèi)部：超流中子和超導(dǎo)質(zhì)內(nèi)部：超流中子和超導(dǎo)質(zhì)子子核心：超子核心：超子/奇異物質(zhì)？奇異物質(zhì)？殼層超流中子核心中子星中子星的質(zhì)量上限的質(zhì)量上限 質(zhì)量半徑關(guān)系：中子星質(zhì)量半徑關(guān)系：中子星的質(zhì)量越大，半徑越小的質(zhì)量越大，半徑越小質(zhì)量上限：質(zhì)量上限：Oppenheimer極限質(zhì)量：極限質(zhì)量：2-3

20、 M 質(zhì)量大于質(zhì)量大于3 M 的中子星，的中子星，其中子簡(jiǎn)并壓也頂不住引其中子簡(jiǎn)并壓也頂不住引力的塌縮，最終形成力的塌縮，最終形成黑洞黑洞。 射電脈沖星射電脈沖星 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn) 1967年年Jocelyn Bell 利用利用A. Hewish領(lǐng)導(dǎo)研制領(lǐng)導(dǎo)研制的射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了第一顆射電脈沖星的射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了第一顆射電脈沖星PSR 1919+21 脈沖周期脈沖周期P1.3373 sec射電脈沖星的物理模型射電脈沖星的物理模型射電脈沖星射電脈沖星中子星中子星 射電脈沖星射電脈沖星傾斜傾斜自轉(zhuǎn)磁中子星自轉(zhuǎn)磁中子星 七七. .恒星演化的觀測(cè)證據(jù)恒星演化的觀測(cè)證據(jù) 星團(tuán)星團(tuán)(star cluster)及其

21、及其H-R圖圖 恒星在天空中的分布有聚集成團(tuán)的現(xiàn)象恒星在天空中的分布有聚集成團(tuán)的現(xiàn)象形態(tài)不規(guī)則大小6-50 ly質(zhì)量102-103 M恒星密度0.1-10 M ly-3 /010-50空間分布銀道面附近Z 200 pc成員星年輕、中等年齡恒星昴星團(tuán)（昴星團(tuán)（Pleiades）疏散星團(tuán)疏散星團(tuán) (open clusters)形態(tài)球形或扁球形大小60-300 ly質(zhì)量104-107 M恒星密度1-100 M ly-3 /050-103空間分布以銀心為球心的球狀分布，d 35 kpc成員星年老的、貧金屬恒星Omega Centauri 球狀星團(tuán)球狀星團(tuán) (globular clusters)星團(tuán)的星團(tuán)的H-R圖圖昴星團(tuán)（昴星團(tuán)（Pleiades）