小質(zhì)量恒星的演化ppt課件

1、天文學(xué)導(dǎo)論第9講 小質(zhì)量恒星演化It is said an Eastern monarch once charged his wise men to invent him a sentence to be ever in view, and which should be true and appropriate in all times and situations. They presented him the words: “And this, too, shall pass away.Abraham Lincoln (1809-1865)September 30, 1859 .本講內(nèi)容

2、小質(zhì)量恒星太陽的主序后演化紅超巨星行星狀星云地球的命運(yùn)白矮星小質(zhì)量雙星的演化激變變星新星Ia熱核超新星.主序后恒星的演化星際云坍縮為宏大的原恒星，由氣體和塵埃組成的盤所環(huán)繞遺留在盤內(nèi)的氣體和塵埃聚積成行星及其衛(wèi)星、小行星和彗星等原恒星繼續(xù)坍縮直到中心的H點(diǎn)燃而成為主序恒星主序恒星：恒星中心的H在熄滅恒星最終會耗盡其中心的H燃料：構(gòu)造開場劇變，開場快速演化最終坍縮成為沒有核燃料的致密天體.每顆恒星都是獨(dú)一的初始質(zhì)量和化學(xué)豐度決議一個(gè)恒星的命運(yùn)主序壽命，赫羅圖演化途徑，終了方式一個(gè)孤立恒星構(gòu)成之時(shí)就確定了它的演化程小質(zhì)量恒星和大質(zhì)量恒星的演化非常不同大致區(qū)分為兩類：小質(zhì)量恒星 3 Msun.當(dāng)主序

3、恒星中心區(qū)的氫完全耗盡，恒星開場脫離主序，演化加快，出現(xiàn)一系列壯觀景象小質(zhì)量恒星的演化大質(zhì)量恒星的演化.1。小質(zhì)量恒星的主序后演化以類太陽恒星演化作為小質(zhì)量恒星演化的代表，以此來了解太陽轟轟烈烈的終身類似的初始質(zhì)量M 1M類似的初始化學(xué)成分太陽元素豐度.1.1 亞巨星支 Sub-giant Branch(SB)中心H枯竭(變?yōu)镠e核)，殼層H熄滅 主序生活終了，開場快速演化He核收縮 殼層引力添加 殼層壓力添加 殼層H熄滅率加快He核質(zhì)量添加 恒星更亮，但體積膨脹 外表溫度降低 恒星更紅！亞巨星構(gòu)造： 非熄滅He核 + 殼層H熄滅 + 非熄滅H包層.在H-R圖上, 恒星漸漸向右脫離主序(12)

4、, 稱為亞巨星支體積膨脹 外表溫度降低，但光度添加亞巨星的溫度下降大約1,000K,.1.2 紅巨星支 Red Giant Branch (RGB)非熄滅He核繼續(xù)坍縮，He核半徑減小，He核溫度上升 殼層H熄滅率更快He核質(zhì)量添加 光度添加 恒星包層膨脹 外表溫度降低 RGBHe核體積繼續(xù)減少電子開場簡并(壓)紅巨星構(gòu)造： 非熄滅簡并He核+ 熄滅H殼層 + 非熄滅H包層.簡并：泡利Pauli不相容原理量子力學(xué)：質(zhì)量大粒子占據(jù)空間??！ 電子先簡并客滿客滿自旋朝上自旋朝下能級1能級2.由于H的調(diào)理 RGB外表溫度變化不大在H-R圖上，恒星向右上方幾乎垂直攀升成為紅巨星23) ：顏色紅體積大亮反

5、向林忠四郎線 ：原恒星主序星：H調(diào)理.恒星沿RGB是加速向上攀升的H殼層熄滅 He核質(zhì)量添加 電子簡并度添加 導(dǎo)致He核繼續(xù)收縮溫度升 引力更強(qiáng) H熄滅殼層壓力更大 更快H殼層熄滅 He核質(zhì)量添加更快 (相互促進(jìn) 恒星光度加速上升 恒星沿RGB是加速攀升的！太陽從主序到RGB最頂端大約要2億年SB 階段： L 10LsunRGB 階段：10Lsun 1,000Lsun 半徑增大為100倍太陽半徑.太陽成為紅巨星.1.3 氦閃 (Helium flash)He核質(zhì)量繼續(xù)添加且繼續(xù)收縮 引力更大 H殼層熄滅更快，且加熱He核由引力能 當(dāng)He核的溫度上升到約108 K時(shí)，He開場熄滅 (3 alph

6、a 過程：3He C) 恒星攀升到RGB的頂點(diǎn)3.由于簡并，He核溫度上升但不膨脹簡并He核是很好的熱導(dǎo)體，一旦He核的中心熄滅 幾分鐘內(nèi)加熱整個(gè)He核，瞬間整個(gè)He核溫度一樣 整個(gè)He核熄滅He核電子簡并 He核熄滅， He核雖溫度上升但壓力不添加簡并壓主導(dǎo) 簡并He核不膨脹簡并氣體不滿足理想氣體形狀方程！簡并He核的溫度上升 He熄滅率加快 溫度上升加快 He熄滅率加快 . 溫度上升和He熄滅率加快相互促進(jìn).氦閃后，電子簡并解除因此，簡并He核的忽然熄滅是處于失控形狀，故稱為氦閃T =1億 K 1.1億K: 反響率添加40倍 T =2億 K 反響率添加4.6億倍數(shù)秒鐘之內(nèi)，溫度上升 熱壓

7、大于 簡并壓 He核膨脹冷卻 電子簡并解除He熄滅是以He閃的方式開場，但氦閃僅繼續(xù)數(shù)小時(shí)氦閃是實(shí)際推算，至今仍未觀測到.He閃所產(chǎn)生的宏大能量用來抗衡引力和膨脹 He核 氦閃后, 非簡并He核變得很大 引力減弱 He熄滅中心和H熄滅殼層的壓力減小 核反響率明顯降低 恒星光度明顯下降，僅有He閃時(shí)的1/100包層收縮恒星進(jìn)入一個(gè)新的穩(wěn)定態(tài)：He在正常的非簡并的核內(nèi)熄滅成為C，H在殼層內(nèi)熄滅成為He.1.4 程度支 Horizontal Branch (HB)He閃后，光度降低 恒星H包層收縮 外表溫度上升 恒星向左下方移至程度支34 t=100,000 years.恒星的化學(xué)成分決議其在程度支

8、上的位置：化學(xué)成分和太陽類似的小質(zhì)量恒星將只聚集在RGB的左側(cè)Fe豐度比太陽小的恒星趨于分布在遠(yuǎn)離RGB的準(zhǔn)程度線上稱為程度支HB星.HB星構(gòu)造穩(wěn)定He 核熄滅 + + 非熄滅He殼層+ H殼層熄滅非熄滅H包層.HB星和主序星的比較HB恒星非常類似于主序恒星構(gòu)造、行為MS 星：穩(wěn)定的、非簡并的中心H熄滅HB 星：穩(wěn)定的、非簡并的中心He熄滅 (和殼層氫熄滅)HB星堅(jiān)持穩(wěn)定僅5千萬年 (HeC, HHe)：中心區(qū)的燃料變少He 熄滅的能量轉(zhuǎn)換效率比H低許多HB星更亮 必需更快耗費(fèi)燃料恒星分開 HB 類似于分開 MS 作H He, He C交換 .1.5 漸進(jìn)巨星支 Asymptotic Gian

9、t Branch (AGB)在HB階段，C不熄滅T不夠高 C 堆積在中心當(dāng)中心He枯竭 引力 壓力 C核坍縮至電子簡并 C核半徑減小，引力上升 殼層壓力上升 加快殼層He和殼層H的熄滅 簡并 C 核質(zhì)量 (非半徑，仍坍縮) 增長加快 引力上升加快 殼層壓力上升加快 因此恒星光度上升加快 恒星半徑增大加快 H- 外表溫度大致不變 .類似于RGB, 恒星再次向右上方加速攀升為紅超巨星 (45)在H-R圖上的途徑非常類似于RGB (23)，故稱為 AGB，這個(gè)階段的星稱為AGB星紅超巨星 .AGB星構(gòu)造簡并非熄滅C核 + He 殼層熄滅 + 非熄滅He殼層 +H殼層熄滅 + 非熄滅H包層 C核：質(zhì)量

10、添加，繼續(xù)收縮，溫度升高.*MS, RGB, HB and AGB星的構(gòu)造比較*.當(dāng)?shù)紸GB頂端5時(shí)，光度的顯著添加 + 恒星的顯著膨脹 開場拋射冷的外層引力微弱，最終留下一顆“裸露的高溫C中心.太陽的C 核不會熄滅！簡并C 核質(zhì)量 (和溫度T) 添加 加快殼層He 和 H熄滅 相互促進(jìn) C 核收縮AGB 星類似于RGB星 C (閃) ?決不會對太陽！更大質(zhì)量恒星可以1 Msun AGB星 數(shù)百倍Rsun 膨脹并吞食內(nèi)行星軌道，能夠包括地球雖然50億年后發(fā)生， 但遠(yuǎn)在此之前10億年后，地球?qū)捎谔柟舛鹊奶砑佣豢窘梗?地球的命運(yùn)？數(shù)十億年后，主序后半段，太陽膨脹1.4倍，地球溫度上升，地球

11、上的海洋蒸發(fā)。太陽在變大，地球失去大氣，許多隕石坑。灼熱的煉獄之地作為紅巨星的太陽，顏色偏紅，火紅的太陽將占據(jù)地球的大半天空地球未來的兩種能夠，還沒有定論被膨脹的太陽“淹沒能夠性較大，據(jù)最新實(shí)際不被太陽“淹沒，繼續(xù)圍繞那個(gè)“太陽公轉(zhuǎn).地球被膨脹的太陽“淹沒大約77億年后，太陽將膨脹200倍到差不多地球如今軌道的位置水星和金星早已被太陽淹沒紅巨星的大氣稀薄，地球短時(shí)間內(nèi)仍能在其大氣中作公轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于摩擦，地球失去速度，從而沿一條螺旋軌道向太陽中心“掉落，最終撞進(jìn)太陽高溫部分，蒸發(fā)消逝.地球不被太陽“淹沒太陽風(fēng)釋放質(zhì)量，因此引力減弱，結(jié)果地球公轉(zhuǎn)軌道比如今向外挪動不少，有能夠不被膨脹的太陽“淹沒水

12、星和金星自然是沒有了太陽碳核坍縮變小白矮星，地球仍是一顆行星，將一如既往地公轉(zhuǎn)不停地球外側(cè)行星軌道同樣外移一些，繼續(xù)公轉(zhuǎn).1.6 恒星質(zhì)量損失 Stellar mass loss1個(gè)太陽質(zhì)量主序星演化到HB星階段要損失10%-20%的質(zhì)量。演化到AGB星時(shí)再損失其質(zhì)量的20%。因此終了AGB星階段時(shí)， 1 Msun主序星的質(zhì)量小于0.7 Msun 在AGB終了時(shí)，恒星質(zhì)量損失失控質(zhì)量損失更弱的引力更快的質(zhì)量損失“更更弱的引力質(zhì)量損失越來越厲害，拋射速度20 -30 km/s.留下熾熱的簡并C核殼層He和H 快速熄滅完為 C “裸露C核質(zhì)量添加 + 收縮 C核變得越來越熱 恒星在H-R圖的頂部快

13、速從右向左挪動 56，約5萬年“恒星外表溫度最終可達(dá) 105 K 主要輻射高能紫外光 (峰值波長 29 nm)劇烈的紫外輻射加熱和電離膨脹的致密氣體包層而發(fā)光，即行星狀星云.1.7 行星狀星云 Planetary Nebulae行星狀星云通常是低質(zhì)量恒星在死亡時(shí)所拋出的氣體包層，遭到中心高溫“白矮星的輻射，電離而發(fā)光行星狀星云常為環(huán)形，環(huán)繞著恒星演化后所遺留下來的白矮星。氣體殼層不斷膨脹，年齡不超越 5 X 104 年螺旋星云 Helix Nebula .The Ring Nebula 環(huán)狀星云Top: a famous planetary nebula called the Ring Neb

14、ula (M57), as it appears through a small amateur telescope, shows why astronomer thought these objects looked like planetsBottom: however, an HST image of the ring shows the remarkable and complex structure of this expanding shell of gas ？.HST 杰作：動物園, Planetary nebulae are not all simple spherical s

15、hells around their parent stars These HST images show a wealth of structure resulting from complex processes by which low-mass stars eject their outer layers.Thus, they earns names like Owl Nebula, Clown Nebula, Cats Eye Nebula, and Dumbbell, .貓眼星云The Cats Eye Planetary Nebula as seen by HST (right)

16、 and Chandra (left).蝴蝶星云 Butterfly Nebula.沙漏星云.啞鈴星云 Dumbbell Nebula.愛斯基摩星云 The Eskimo Nebula.1.8 成為白矮星后AGB星熄滅完一切殼層外表燃料 僅剩下質(zhì)量約為 0.6Msun 不能熄滅的簡并的 C 球 光度驟降，溫度變化不大收縮和引力能在 H-R 圖的最左側(cè)垂直下落(67)，恒星越來越弱小幾千年內(nèi)，非熄滅的中心收縮成地球大小，此時(shí)整個(gè)星體完全電子簡并，抗衡引力，不再收縮簡并的恒星灰燼稱為碳白矮星，很熱但很小.1.9 白矮星冷卻為黑矮星白矮星熱輻射 白矮星繼續(xù)冷卻電子簡并 其大小幾乎不變在H-R圖上,

17、沿等半徑線向右下方挪動 7 8 白矮星可堅(jiān)持很熱約1千萬年，最終光度可降為原主序星的1/1000 黑矮星.值得記住這個(gè)超密球一茶匙一噸的密度，其生命實(shí)踐上于100多億年前開場于一個(gè)比地球上最好的真空還要稀薄100億倍的星際分子云核！一個(gè)紀(jì)元的終結(jié). 另一個(gè)新紀(jì)元的開端.2。白矮星 White Dwarfs (WD)白矮星是密度高、體積小、光度低、外表溫度高的白色星絕對星等 Mv 8m-16m 光度很低有效溫度 Teff 5103- 4104 K：光譜O到K型暗弱 僅很近的白矮星才易觀測到知白矮星約1500顆，估計(jì)銀河系恒星級天體總數(shù)的10%或更多是白矮星單星或雙星成員.白矮星的構(gòu)成機(jī)制簡寫版A

18、 white dwarf is the product of a low mass star (with initial mass 壓力對He白矮星， Mch1.44 M對C / O白矮星，Mch1.4 Mg M/R2 M2/R5錢德拉塞卡Chandrasekhar極限質(zhì)量dP/dR 4/3/R M4/3/R61932，朗道預(yù)言，1935 錢德拉塞卡計(jì)算1983諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).3。小質(zhì)量雙星的演化小質(zhì)量恒星演化最明顯復(fù)雜性來自于雙星系統(tǒng)同為主序恒星時(shí)，雙星的相互影響能夠很小質(zhì)量較大恒星先分開主序膨脹，其外層物質(zhì)可以穿越界定雙星各自引力范圍的分界限而流入質(zhì)量較小伴星，并加快其演化質(zhì)量較大恒星首先

19、演化為白矮星，與質(zhì)量較小恒星組成一個(gè)由白矮星和“正常恒星組成的雙星系統(tǒng)質(zhì)量較小恒星也分開主序而膨脹，其物質(zhì)又返流到白矮星原質(zhì)量較大恒星.3.1 激變變星 Cataclysmic Variables (CVs)白矮星與演化的恒星紅巨星構(gòu)成的相接雙星白矮星經(jīng)過吸積伴星的物質(zhì)產(chǎn)生紫外和X射線輻射吸積盤輻射在密近雙星中，伴星充溢洛希Roche瓣進(jìn)展物質(zhì)交流.3.2 新星 Novae白矮星經(jīng)過吸積盤源源不斷地吸積伴星物質(zhì)，富氫物質(zhì)堆積在白矮星外表，構(gòu)成一個(gè)H的包層或“海洋。當(dāng)其溫度上升到氫能熄滅時(shí)就導(dǎo)致吸積白矮星外表的失控?zé)岷朔错?(HHe)，即產(chǎn)生新星.激變變星是新星的前身星progenitor新星：

20、白矮星外表迸發(fā)性的氫熄滅雖然只觀測到許多激變變星的一次新星迸發(fā)，但其終身中能夠會閱歷多次新星迸發(fā)對于一個(gè)激變變星系統(tǒng)，新星再發(fā)周期105 年銀河系每年產(chǎn)生約 50 顆新星，但由于星際消光每年發(fā)現(xiàn)僅 2-3 顆新星.新星的觀測特征在幾天到幾星期內(nèi)亮度添加致其視星等減小7-16星等，然后緩慢下降，經(jīng)幾個(gè)月或幾年回復(fù)到原先形狀 輻射主要在光學(xué)和紫外波段 迸發(fā)時(shí)的能量釋放率 1045-1046 erg s-1 拋射約10-5-10-3 M 的物質(zhì)，拋射物質(zhì)速度100-5000 kms-1光變曲線.Nova Herculis 武仙座1934迸發(fā)時(shí)星等為3m 兩個(gè)月后星等為12m 40年后向外拋射物質(zhì)的半徑達(dá)0.05光年.Nova Cygni 天鵝座1975迸發(fā)時(shí)星等為2m 迸發(fā)后降為15m .The ejected envelope is visible as a limb-brightened shell expanding aw