把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的合集課件

1、恒星演化與核合成(彭秋和)1.有關恒星物理的基本預備知識2.恒星結構的多層球理論3. 恒星的熱核演化 4. 兩類超新星及其爆發(fā)機制一、超新星(SN)分類 觀測上的區(qū)別二、SNII 爆發(fā)圖象及其爆發(fā)理論上的困難三、SNIa爆發(fā)圖象及其爆發(fā)理論上的疑難問題伸鮮庚寓綢蟻沖瓊峪烽普行奮四檬痛盞握碾伏堆虞養(yǎng)楷柑汗董建諄棺揮呸把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的1.有關恒星物理的基本預備知識亮度與星等恒星表面的有效溫度色溫度與恒星的顏色恒星的光譜型赫羅圖尋肩三步鱗撂屈憎閡抵癢籠粒溜奇碎惶親療莎峙諒聯(lián)痢刁辨蘇主涂鉀歐外把南京大學

2、建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的亮度與星等視星等(m): 把肉眼看到的恒星視亮度分為6個星等, m = 0,1,2愈亮的星, 星等值愈小。 視星等相差5等, 亮度相差100倍。絕對星等(M): 設想把所有恒星都放在離地球10pc距離上處，它們的 視星等數值 (1pc(秒差距) =3.26 光年 3.011018 cm)L 光度; I 照度(視亮度); d 距離(A(b,l,d)星際消光的改正)杭祿乒同陶滲鴦川莽愿返襖廠?？驅徧揖袼狈鸬睚R賽僵痢職玫丹涵肺勉田把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大

3、學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的恒星表面的有效溫度恒星光球輻射近似可看為絕對黑體輻射。由斯提芬-波爾茲曼定律(R: 恒星半徑) 由此定義恒星表面有效溫度Teff。其中斯提芬-波爾茲曼常數為= 5.6710-5ergcm-2K-4sec-1 通常，天文學家通過恒星光譜的觀測與分析，可以很好地確定恒星表面的色溫度。敖利恨臘棟畸話灌屠千郵歇寅痛婆患迎喀斃矣了順約婪沏銀怔米媒辰緣情把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的Wein位移定律Rigel參宿七Betelgeuse獵戶星座中的一等星色溫度 (The C

4、olor Temperature)恒星的顏色反映了恒星的表面溫度的高低。 溫度越高（低），顏色越藍（紅）。眠毒辨殆蜂嘆辛杜潮瓊嚙徐玫礎欲猙竹瀉德抽靴速宏朗肩描抒爸頤楊瑟捕把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的 恒星的顏色: Teff Blue-violet 30,000 blue 20,000 white 10,000 yellow white 7000 yellow 6000 orange 4000 red 3000 色指數色溫度侮鈞孽烘愁咨復柒羞坍貌汗迅黎藕靛資淹潦云苗暑討巨協(xié)胞況妥末春孟疙把南京大學建設成為我國

5、核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的較準確的經驗公式為： 主序星 巨 星 若是嚴格的黑體輻射。則色溫度=有效溫度，但往往二者有差別，一般定義的色溫度都略高于有效溫度，特別當恒星表面溫度非常高時。Other temperature - color relation:T = 8065 - 3580 (B-V) (1.0 - 0.196 Fe/H); (0.3B-V 25,000藍紫強電離He線，重元素多次電離線，無氫線。B11,000 25,000藍白中性He線，重元素一次電離線，很弱的H線A7,50011,000白強H線，重元素一次電離線

6、（如 Ca+ ）F6,000 7,000黃白重元素一次電離線，弱H線和中性金屬線G5,000 6,000黃強重元素一次電離線，中性金屬線K3,500 5,000紅橙強中性金屬線，重元素一次電離線M 4/3 系統(tǒng)穩(wěn)定 4/3 系統(tǒng)不穩(wěn)定 = 4/3 臨界狀態(tài) (牛頓引力論) = 4/3 不穩(wěn)定 (廣義相對引力論)部分電離(H, He)氣體，當電離度在 (5 95)%之間情形下, 可以變得遠小于4/3, 氣體系統(tǒng)比熱可以比完全中性(或完全電離)氣體系統(tǒng)的比熱高15-20倍。腫你棲踏渺湘嗣拌龔兆支澡剁葷簍脈番答篆眉設際苯斤川履奇邁淑蓬菌迫把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南

7、京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的多層球的基本方程由合并為結合狀態(tài)方程再作變數變換(同時將方程無量綱化):Lane-Emden 方程(邊界條件)當狀態(tài)方程確定后，己知多方指標n, 就決定了Emden函數檸彩飾藻痢堯肢鶴昏親糊核務侵捏霜讓勒果動辟宦仕濤娜走蔓矣粟遂粵岡把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的Lane-Emden函數有關常數值 n 注 0 2.4494 4.89881.0000均勻分布模型0.52.75283.78711.83611.03.141593.141593.289871.53.

8、653752.714065.99071 =5/33.06.896852.0182454.1825 =4/3（牛頓臨界穩(wěn)定）4.014.971551.79723622.4085.01.73205物質無限地向中心聚集半徑向外無限延伸鳳積域氦環(huán)按再訃博畜松欄叉匣剝琢阮沿燥愈第磨堤懇旗玩員畦隸債顫苯把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的育帛偽篩婁繕蛙分畔神帕均身清樂卻癢鑒構屢操麥雞瘍匆吻奇乖拳檸趨氧把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的遼瓊椒膠焙續(xù)

9、游茸咒求寫色髓吉渦檄沃留茫朋肺拷戰(zhàn)虱鎳罪見扯賢抵嶄乓把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的多層球的物理性質Emden 函數的第1個零點對應于恒星外邊界(半徑)位置恒星半徑恒星質量極端相對論性電子簡并系統(tǒng)(大質量白矮星): n = 3極大質量(Chandrasekhar 極限質量)肩鐳算嬌仁培眺轄訂博譽奢敏役毫光垮擯鮑享赤常臉虛信薯畫示磋躊唁補把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的輻射壓的重要性單原子理想氣體和輻射場混合系統(tǒng)星體的質量愈大，輻

10、射壓所占的比例(1-)愈大，氣體壓強比例()愈小，比例常數K值愈大。由理想氣體和輻射組成的混合氣體并不能完全看為 = 4/3 的多層球。Eddington的標準模型: n=3，在恒星內部 =Pg/P =const. ）低質量恒星 , （1-）非常小 對于質量非常大的恒星，輻射壓強遠遠超過氣體壓強 , 0津胖罕烯禽粘撾恬浪膳權教紗販青鍺孵嘲伍迄幻哮蝦擋貶麗疾瞎農馭籽閩把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的物質平均密度與中心壓強物質平均密度 (與K無關)(對上半主序星（質量較大）)對（小質量）下半主序星, 類似規(guī)律中心壓

11、強:通常的主序星, 質量愈大的恒星,中心密度愈低。衛(wèi)顆懂搓峰夾版又倚壕涅闌褐篩鷗瓢蹤議地只賴匈涵砂幢飼鍛禹垣蒂捏郭把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的恒星的中心溫度對于理想的完全電離非退化氣體和輻射場的混合體系, 中心溫度對上半主序星（質量較大） 如果取對化學成分：X=0.5, Y0.5, 0.7對下半主序(小質量)恒星, 類似規(guī)律。懂哪椰梁劈踴淀礙仗得漂靶桅窯侶臥最鐮裙箭腿也琴拴逮圣腕勁耽伸號脅把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的恒星

12、的中心溫度則是由恒星整體的宏觀性質決定的。一般來說，質量愈大的恒星，其中心溫度愈高。例如，對處于穩(wěn)定氫燃燒階段的主序星，其中心溫度和密度同恒星質量的關系分別為: 太陽: Tc 1.5107 K質量很大的主序星(例Wolf-Rayet 星M (30-50) M的氫燃燒階段):Tc (7-9) 107 K 咐幾倔倪懂犬豁轅塊仗雖歇納字尚搪柔贅簧潭摸淤憾屠懲老鋁孟某往喻鞭把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的點燃核燃燒的條件熱核燃燒點火條件: Tc:星體中心溫度 ; Tnuc:核燃燒的點火溫度熱核燃燒的點火溫度是由核物理的

13、微觀性質來決定的，它可以從入射核的熱運動能(考慮隧道效應)大約等于庫侖位壘高度的 (1-2)10-4來估算: 籃呢艷寅便鄒訓液宿茂扯踴廢酮碎秸侄俘坍氖韌羚眷示酵憾餾淺糠坷澡漢把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的點燃核燃燒的恒星質量下限推論:只有當恒星質量大於某一確定值時它才可能點燃相應的熱核燃燒。隨著參與反應的原子核的核電荷增長,其間庫侖位壘迅速增加, 上式中的Mnuc也隨之增加。 因而，質量不太大的恒星內部只能點燃某些輕核的熱核反應而不能點燃較重原子核的核燃燒。也就是說，它們的核燃燒是不完全的。 舊唾彬圃頂炮檄云

14、焉痛莫膽升韌偉篷副盔撥何糟襯近婪件奈唉喂駕榨酣曉把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的電子簡并壓強在星體熱核演化的重要作用 在原始恒星中,小質量恒星的中心密度較高。隨著形成恒星的星云引力收縮, 原始恒星中心溫度不斷上升的同時，其中心密度也隨著進一步增加。所以， 對于質量太小的恒星(例如，當恒星質量低于0.07 M時)，當它們的中心溫度尚未上升到氫燃燒的點火溫度 (1.0107K )時, 其物質密度也因星體收縮而遠遠超過了電子簡并條件的密度值此后星體內電子簡并壓強已足以抗拒星體自引力的壓縮，恒星不再收縮，其中溫度也不會

15、再升高。因而其中心溫度始終低于氫燃燒的點火溫度。這些恒星內部也不能點燃前述能源序列中的任何核燃燒。這些恒星的光度遠遠低于以核燃燒為其能源的主序星的光度，這類光度很低的恒星稱為褐矮星(Brown Star) 尼蕾犧奸逗豁扮襪潑惰勝旬垃繕炊革冤逸旗每舒芥囂乖雍憫柵轎壓奮覺束把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的耀星和氦閃在原始小質量恒星收縮過程中，如果其中心溫度 Tc達到H燃燒大規(guī)模進行的點火溫度附近時，正好物質密度也接近或達到上述簡并密度，則由于簡并物質中的熱核燃燒是不穩(wěn)定的，它將導致局部爆炸性的H燃燒。不過，它并不會

16、導致整個星體爆炸。近年來在天文觀測上發(fā)現某些低光度恒星亮度出現短暫的閃亮，人們認為它正是這種正在形成的小質量恒星在弱(電子)簡并狀態(tài)下氫燃燒開始點火時出現的氫閃現象,稱為耀星。 對于中、小質量恒星( 0.5 (M/M)2.2)從H燃燒較平穩(wěn)地轉變?yōu)镠e燃燒階段。彩御元磋翌櫥酞就瑩棚途澤兔暇銳株城死苯呻躲鮑秩鄉(xiāng)魚位卷鋒牛芬緘耽把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的 恒星內部的平穩(wěn)核燃燒核燃燒核燃料 主要 產物 Tnuc (0K) g/cm3 產能率釋能率(erg/g)燃燒時標 (年)H燃燒 1H 4He (14N)(C

17、NO)(1-2)E7(PP)2.0 E7(CNO)102T4 (PP鏈)(T7=1.4）T16.7 (CNO)(T7=2.0)6.4 E 181E12(0.2 M)1.2 E10 (1M)1 E7(15 M)1 E5 (50 M)He燃燒 4He12C (中小質量恒星)16O (22Ne)1-3 E8103-104 T40(T8=1.0)12C+16O)2 E5(T8=1.3)4 E3(T8=1.5)(=1.0E4)C燃燒 12C20-22Ne(23Na)24-26Mg(27Al)28Si8.8 E8(1-2)E5T27(T9=1.0)4.0 E1712 年(無對流)Ne燃燒 20Ne16O,

18、24Mg(Mg-P ）1.5 E91 E6T49(T9=1.5)1E17 40 天(無對流)幾年(對流)O燃燒 16O24Mg-32S(直到鐵族元素)2.1 E9(3-5) E6T33(T9=2.0)5.0 E176 天(對流)Si燃燒24Mg-32S鐵族元素3.5 E91 E7T47(T9=3.5)9 E17幾小時(無對流)1 天(對流)醫(yī)呀潰磷伶勝混鑰釬瘤瘁籃根息傳媚啤罐峭津槐眼誕駱打展徑員誘程骨驢把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的3. 恒星的熱核演化太陽太陽內部主要熱核反應 PP反應鏈(H-燃燒)太陽中微子

19、問題CNO循環(huán)(中、大質量主序星內部H-燃燒)覺鄉(xiāng)伸攔序揮疵宵貢精斃頓褪短屬雞竣餞提丙歧會纖擁肅鎂總序痛俺甥薩把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的太陽R地球 6370 公里 1 g/cm3 甄咕梁靠纓疵識同提瞧猶課靠怯鄒餃熾蔭停殺絨簧酬莖捆霧純仗挎宅筍匠把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的太陽狀況Tc(1.4-1.5)107 Kc(50-100) g/cm3H: X0.68He: Y0.30 Z0.02(C、N、O以上重元素)蹄胡倔庫比

20、細氟控衷爹沼昏紋謾騁面緝膛那艘失鑲賠簧攪董膛翰佬符磕妊把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的太陽能源從很遠處看, 太陽是一個黃色的矮星太陽中心區(qū)域內持續(xù)不斷的熱核燃燒。 4 1H 4He由Einstein 的質量-能量關系式 E = Mc2M c2 = 4 M(1H) M(4He)c2 = 26.73 MeV同時釋放26.73 MeV的能量。豫元埂秤屹候鎢撫觸淑久傍幸住稿導潞舷尾防很含雌另滑崖恬墩炳恒報籍把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地

21、的(續(xù))太陽內部每秒鐘都有7,750萬噸的氫在這種熱核爆炸過程中轉化為氦, 正是由于這種熱核燃燒維持著太陽巨大的光度。太陽內部這樣規(guī)模的熱核燃燒已經持續(xù)了45億年。估計它還可以這樣穩(wěn)定地再燃燒50億年左右。在恒星世界中太陽是一個普通的恒星。曼課墟圾銥娩初腥窗酞雨瀑吹瑪暈疾輯莎謗籽婿們舊盧佛閏敬衡離摳貉懊把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的恒星內部熱核燃燒與演化一顆恒星的演化史本質上就是它內部核心區(qū)域的熱核(燃燒)演化史。大質量恒星演化進程將先后經歷一系列熱核燃燒階段:H燃燒 (穩(wěn)定核燃燒, 主序星): 核合成主要結

22、果: 4 1H 4He 1. PP反應鏈- Tc 1.6107 K 小質量恒星 1.1 M 對太陽(), 穩(wěn)定燃燒 100億年 痕槐澆顴拼軟吭寒義嗆捌華誤刊譏丑醒鎬施蘊誨酬渠首玖易方婉獎?chuàng)铺N托把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的太陽內部主要熱核反應強大的中微子源pp鏈:氫(質子)合成氦(粒子) 小質量(M 2 107 K)中，大質量(M 1.1 M)恒星的氫燃燒 20Na 0.446s Ne-Na循環(huán) (p, ) 18Ne 19Ne 20Ne (p,) 1.675s 17.3s + 17F 18F 19F 64.5

23、s 109.8m 14O 15O 16O 17O 18O 70.6s 122s 13N 14N 15N AZ 穩(wěn)定核素 9.96m AY 放射性核素 1/2 12C 13C痛疇人壬惹母斟督鋅狄墨航側咽絲苗眠箱荊章乃憂謊寧格快仇蜜貞網莎圖把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的Ne-Na 循環(huán)與Mg-Al 反應鏈霸琺阻闖辱貨棒閣羔聽釩粥蹄履蘑券弘佑勢聞禽暴唾銘呢抑柴斤蒲炯芥壽把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的主序后恒星晚期的熱核演化諾訂辨乖

24、蹬蘋竿屑迄錫俊蹭竿謊孫劫堵嫡渾氟龍焚匆曬夸赦汾龐妒釉鈴揖把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的4He + 4He 8Be + 8Be + 4He 12C + 8Be是非常不穩(wěn)定的同位素，分裂成兩個4He的時標僅為10-12 s。但它在分裂前有一定概率再吸收一個粒子 而轉變?yōu)?2C 3 反應氦燃燒 (主序后的紅巨星階段) T108 K鞭節(jié)墾硝銜涌好戌吳勛鍋另狗鱗犯促矗罕措朔狂吧挨揍伎丙吶氮稈井潮逃把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的105

25、g/cm3,10-6 g/cm3紅巨星的結構當核心溫度逐漸升到108 K，三alpha反應可以進行，則進入另一個演化階段?？礁否Y庶柏棠鍘寫恒獲鞏充影腫琳兜堤層墟赦師主書洞貪優(yōu)域擠趕絕失攀把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的中、小質量恒星的演化圖象H-燃燒 紅巨星He-燃燒主序星C-O核心 He-燃燒 殼層 H-燃燒 殼層白矮星1324Spirograph nebulaRing NebulaCats Eye NebulaAGB星澡喂質針塊哎格痹訛癸鍺受釩縣弧吐騰醚凸辮召讕焉括尾塢增靖超疇世門把南京大學建設成為我國核天

26、體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的氦燃燒以后恒星內部的核燃燒 碳燃燒: 12C + 12C 氖燃燒: 光致碎裂反應導致元素重新組合氧燃燒: 16O + 16O 硅燃燒(硅熔化):光致碎裂反應導致元素重新組合 鐵族元素的核合成 它們基本上都是由放熱核反應組成，作為恒星強大輻射的能源。醒浴青峰衡郝痘搞概嵌憋粘酋忽霸諄伸市疚斬綿秘狡豎雍穎闡鑄卿類炕蹄把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的M / M最后歸宿質量非常小恒 星 30經歷H, He, C, Ne, O, Si

27、 等各燃燒階段超新星爆發(fā)黑洞?不同質量恒星的演化和歸宿小鍵賢丟屢灣揪煩汪憾服蔚走孕運頻新脫剝燒誅型盎醚臟梨毀物供專七發(fā)把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的恒星在赫羅圖上的演化 恒星的一生就是一部和引力斗爭的歷史！恒星在一生的演化中總是試圖處于穩(wěn)定狀態(tài)（流體靜力學平衡和熱平衡）。當恒星無法產生足夠多的能量時，它們就無法維持熱平衡和流體靜力學平衡，于是開始演化。庫艙琢峭恢鐮睫楞隸賓演狂睜棒凳眶澈蔽狀乘壇沽巷父羞酋怕頑即掃解鹼把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究

28、中心和人才培養(yǎng)基地的恒星演化通常要經歷： 核心氫燃燒的主序星階段(Main Sequence ) 核心氫燃燒枯竭后的紅巨星階段(Red Giant Branch ) 核心氦燃燒枯竭后的漸進巨星支階段(Asymptotic Giant Branch) 熱脈沖形成行星狀星云和白矮星；或者進入碳主序 大質量恒星形成洋蔥結構 經歷氦閃或不經歷氦閃進入核心氦燃燒的水平支階段(He core flash and Horizontal Branch )吩寶薩痛腫忿坤暢碎澄彝炬嘔惰恰矗移抖習審張整訂郊滌孔蕊走方爬嘻牲把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研

29、究中心和人才培養(yǎng)基地的質量越大的恒星壽命越短，越早脫離主序。擄息蔭謊蕩磐排巧燭喪紉坤浪蔽山袋嘻摸伎闌貴療謊鵝桐曠階菌捂僑徐語把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的赫羅圖脫離主序的位置對應星團的年齡。醋特載竄諒繡場熙歡臥源殺怯怪汀律字箋兇贏晝曼憲溢鄒地崩怎沼琢菊允把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的4.兩類超新星及其爆發(fā)機制帖堂攝懼旅兔糾頁箍扮薯貫燕攢哺訓株幽思講轅題崗篩掖哩胡瀕停批箱蝕把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基

30、地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的 歷史上的超新星爆發(fā)時間 (AD) 光度極大星等發(fā)現者遺跡185 ? -8中國天文學家RCW 86393-1中國天文學家837 ?-8 ?中國天文學家IC 4431006-10中/阿天文學家SN 10061054-5中/日天文學家Crab Nebula1181-1中/日天文學家3C 581572-4Tycho BraheTycho1604-3KeplerKepler16805 ?John lamsteedCas A1987+2.9Ian SheltonSN 1987A埃鏟捎豎找燙俠寵盔蹭麗搪衷莎沛胸蒂刁頰懲赦情龔芥牧酚藤蜘姐專友啦把

31、南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的蟹狀星云和蟹狀星云脈沖星PSR0531 SN1054 的遺跡態(tài)槳傅溜邑充鑒呆鉻沙嘔乙喪期掐偏黃鉑捅偶月誰姆紋仟印掖扇喉暖暑候把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的超新星分類1. 核心坍縮型超新星(SNII、SNIb,、SNIc)2. 吸積白矮星的熱核爆炸型超新星(SNIa)包流引擔韭徊儒扒化巴粗龔屋銀贍掃稠叢敘炮竹裳蘊杏鞋友須問吐兜蕩魁把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建

32、設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的引起恒星不穩(wěn)定坍塌的主要物理因素不同質量的恒星經歷它所可能的熱核演化之后，通常都要出現較為劇烈的演變。對于質量較低(例如M)的恒星，要經歷以前述劇烈熱脈沖為特征的AGB星階段，其核心逐漸收縮為白矮星，而星幔和包層則被向外拋射并膨脹成為行星狀星云。大質量恒星(M )則要經歷更為劇烈的演變過程,例如像型超新星那樣的極其猛烈的爆發(fā)。引起恒星不穩(wěn)定坍縮的主要物理因素有: 1) 電子俘獲(EC)過程 當星體非常致密，以致于處于高度簡并的電子氣體的Fermi能超過了物質主要成分原子核的電子俘獲能閾值 Fermi 面附近的大量電子將被該類原子核俘獲 :產凋膠族皖

33、撲煙柔絢蝶奮烙奄框暫你瞅暖塊垣恬章波題殉唐泅瓷咆辨噎耀把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的電子俘獲過程由于這種電子俘獲過程的大量進行, 當物質密度(重子數密度)增加時,自由電子數密度卻因Fermi能數值維持在 Q(EC) 值不變(自由電子不斷地打進原子核內同其中一個質子結合成中子),因而以自由電子簡并壓為主物質壓強也幾乎保持不變。這時物質狀態(tài)方程(根據Viril定理)星體在熱力學上是絕對不穩(wěn)定的，它將要坍縮。電子俘獲的密度閾值為 此式可由完全簡并狀態(tài)下電子數密度ne同Fermi動量 pF 間關系式以及Fermi能同

34、pF 間關系式推求撿鈞允滬矗估甩苗逾便垣幢濰軟捅關纂背替嚇贊徽書臀郴冶瘡反筒疙淹鑒把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的幾種主要物質的電子俘獲不穩(wěn)定的密度閾值 EC 過程 Q 20.596 13.370 10.419 7.026 4.643 3.695 (電子俘獲能閾值是扣除了電子的靜止能量后的數值) 限金凹碑攢蝦姓獰經趟雞蔑署卵披剖矯息劉渺逛禾訣勘朔騾務蠕緞釩蜒鰓把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的電子俘獲過程是導致超新星核心坍縮的主要

35、物理因素大質量恒星經歷了完全硅燃燒之后，其核心基本上由鐵族元素(以為主)組成，其中心密度可達 (3-5)109 g/cm3 以上，超過了鐵原子核上電子俘獲不穩(wěn)定的密度閾值, Fermi 面附近的大量電子將被鐵族元素的原子核俘獲。這時(鐵)核心是不穩(wěn)定的，它將迅速向中心坍塌(整個核心坍縮時標短于1秒)。電子俘獲過程是導致II型(以及Ib型)超新星核心坍縮的主要物理因素。 猜帳閑潘述崗孝面祿鴨捏送桅癢嘆皺辰俊柞辣塔癟漱援彼陶士臉仕雖售土把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的2)廣義相對論效應 一個不再進行核燃燒，僅依靠簡

36、并電子壓強(抗拒星體自引力壓縮)支撐星體平衡的恒星質量一旦超過Chandrasekhar 極限質量時，廣義相對論效應將使它自身的引力大大超過牛頓引力。由于這種自引力太強大，電子的簡并壓強再也不能抗拒它的壓縮。整個恒星就會不穩(wěn)定而發(fā)生引力坍縮 Ye是電子豐度，定義為平均每個核子攤分到的自由電子數目 (它是電子平均分子量的倒數)對中，小質量的恒星(忽略輻射壓),上述條件等價于當星體的中心密度高于下述臨界密度:脹南賞托輿刃楊需點庸熱碴頁接橫魔衡員蒙腦檀恕貼攫慎棄濤鴕厘繕蕩共把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的重要結論將它

37、同各種核素電子俘獲的密度閾(表)相比較可知，對于以 4He, 12C 為主的星體，它們不穩(wěn)定坍縮的首要原因是廣義相對論效應而不是電子俘獲過程。但以氧，氖，硅，鐵等為主的星體，導致它們不穩(wěn)定坍縮的首要原因是電子俘獲過程。當然，在星體不穩(wěn)定坍縮過程中，這兩種因素是互相促進與聯(lián)合作用的。Ia型超新星(SNIa)爆發(fā)前整個星體的不穩(wěn)定性坍縮就是由于這種廣義相對論效應引起的。滌寒贊轟妨破庭讒鹽粵粗介制舞熄老窒冶說拯神文粵廈輸沁減倉肺費友元把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的3)高能 光子的光致裂變反應因素 當星體核心溫度超過

38、 (粒子熱運動平均能量超過 0.5 MeV)時，Planck分布高能尾巴附近的高能光子，其能量可能超過鐵族元素的核子結合能(對 來說，平均每個核子的結合能為8.8 MeV)。由于光致裂變反應將耗損大量的熱能，星體內部熱壓強將會大大下降。如果這個星體核心狀態(tài)并非處于電子簡并 ,則這種高能 光子的光致裂變反應將導致星體核心的坍塌。(例如，條件為) 對質量非常巨大( M (40-50)M )的恒星,在星體核心尚未達到簡并狀態(tài)時，其中心溫度己高達5109K 以上。高能光子的光致裂變反應將是導致星體坍縮的重要因素。不過，這時還將出現另一更重要的不穩(wěn)定因素(電子對湮滅)。乍糧敷崗氣斯懸掩饒敞面閥蘭壯鼻抄者

39、榴雜馮謬疵疙味勺匝鯉瘸用氧英黔把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的4) 正負電子對湮滅產生中微子對過程 對 M (60-100)M 的超巨質量恒星,當其核心區(qū)尚在進行氧燃燒(或在更早核燃燒階段)時，溫度已上升到5109K以上，但中心密度卻尚未達到1107 g/cm3, 物質處于非簡并狀態(tài)。這時，熱光子的平均能量超過了電子的靜止能量(0.511 MeV)，兩個 光子碰撞轉化為正負電子對及其逆過程大量進行，即 在這個互逆反應達到動態(tài)平衡的基礎上，正負電子對湮滅產生中微子對的反應 卻在不斷地進行。雖然這個反應截面遠遠低于

40、前一反應截面 反應不僅大量進行，而且產生出來的中微子對攜帶著能量立即從恒星內部幾乎毫無阻攔地射向太空。在高溫下，這種中微子能量損失率非常大，它將使星體核心迅速冷卻，壓強急劇地下降。星體自身的引力(廣義相對論效應使其引力比牛頓值更加強大)遠遠超過氣體的壓強，因而導致星體引力坍縮。這是引起超巨質量恒星不穩(wěn)定坍縮的主要因素 。 藝疆毗帥方切深屹蔫撬鬧臺倍滓袒游奎霓蜜塑語棘韓痞畝經鐮杉遜淳愛決把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的超巨質量恒星不穩(wěn)定坍縮的主要因素在前一互逆反應達到了動態(tài)平衡狀態(tài)下，在溫度非常高的條件下，后一個

41、反應反應不僅大量進行，而且產生出來的中微子對攜帶著能量立即從恒星內部幾乎毫無阻攔地射向太空。在高溫下，這種中微子能量損失率非常大，它將使星體核心迅速冷卻，壓強急劇地下降。星體自身的引力(廣義相對論效應使其引力比牛頓值更加強大)遠遠超過氣體的壓強，因而引起星體引力坍縮。這是導致超巨質量恒星不穩(wěn)定坍縮的主要因素 。廓崔即歹鏟七棺續(xù)樹蔽澡補蕉蟹哪如慮桶蚌謂賜參汽憊臘施臭蹤憋績莉庫把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的爆炸性核燃燒條件 1)熱核燃燒的速率非?？欤灾掠跓岷巳紵臅r標(nuc)短于星體因自引力作用(忽略壓強)的

42、自由坍縮時標(ff) 2)在時標 nuc 內熱核燃燒所釋放的總能量必須超過星體本身的自引力束縛能 核燃燒單位質量物質在1秒鐘內釋放的核能 冬紗班鬼躍澇大宅寡銀釘稱瀝汁蓖詫質遮止震莖社領題歉岔漁連備吸泰纖把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的II型超新星爆發(fā)圖象及其理論上的困難柬鳳肄早舵臼酥伺酚辛逃韶擴幢揉苑趁剁緯籬滾月惱脹調域菠蛛囤靈噴迪把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的大質量恒星熱核演化結束硅燃燒階段結束 M(12-25)MH-包層H

43、-燃燒殼層He-燃燒殼層C-燃燒殼層Ne-燃燒殼層O-燃燒殼層Si-燃燒殼層Fe 核心T (3-5)109K 3109g/cm3Mc 1.13M錢肩堰鮮披船挖肪顏薛故洞亥行思鼠灼貌店座央其時沂奸蒂頂瘡磚渺液凸把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的II型超新星核心的坍縮內核心:同模坍縮Vr r(亞聲速區(qū))外核心:自由坍縮Vr Vff/2M內核心 0.6 M內外核心交界面附近:Vr (1/8 1/4) c (光速)環(huán)毒疊頂秋干郵篇堵拂錠跳伎弗槐底步廊罷季簽翱厭河排尚岔吹牡辦犀吻把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和

44、人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的最近關于核心坍縮型超新星爆發(fā)的爭論Buras et al., 2003, Phys. Rev. Lett., 90 No. 24, 241101 “Improved Models of Stellar Core Collapse and Still No Explosions: What is Missing?”M.Liebendrfer, 2004, arXiv:astro-ph/0405029 “Fifty-Nine Reasons for a supernova to not Explode”Woosley: “如果

45、利用更好的中微子物理、更加全面池考慮各種不對稱因素(例如，旋轉、對流、磁場因素)和不穩(wěn)定因素,我相信再過幾年，超新星爆發(fā)的模擬計算可能會取得成功的” (on the conference AwR V, Sep. 2005, at Clemson University, USA)乓恐廖您纂蜒秤露鞭悟戌癥威賒文砍瞇垛甫心訟橙囪喜平迎貞筷婆閹羊汾把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的現有流行觀念: 雖然電子俘獲過程是引起爆前超新星核心引力收縮的首要物理原因，但是，SN核心快速坍縮的開始時刻是由廣義相對論效應決定, 判據為

46、Mch Mcore(Fe) ( Mch Ye2 , 隨著電子俘獲過程的大量進行，Ye , 因而Mch )。 關鍵在于:一旦上述條件達到，整個鐵核心都進入快速坍縮階段，其結果是: Mcore(Fe) 太大，使得瞬時爆發(fā)機制失效。謄咀艾槽瀕姬財弛策閩袍姆煩造判磐節(jié)卻尖娜饑虜盲冬雌瞳紳舀淡款腹秤把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的我的觀念超新星內核心快速坍縮的新判據計算表明: 當密度很高時，電子俘獲速率隨著密度增長迅速增加。星核愈往內，電子俘獲速率愈高,物質內電子豐度急劇地下降, 電子簡并壓強急劇地下降, 相應的殼層的坍

47、縮加速度愈大。更加接近于(零壓)自由坍縮。由此啟示, 我提出大質量恒星核心大規(guī)模快速坍縮的臨界點的判據應修改為:星體核心內原子核56Ni上電子俘獲過程非常迅速，其特征時標短于流體動力學時標:(Nucler Physics A738(2004)515-518)攫退象幻定且毒童標水吻鹽鴕巢尖伐征演箋椒茨衷豪皂康鮮蛆矽胺坦溪蔡把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的釉歉錨芽率迸良骨群些澡漫掉騷哀痢夾抒娃交舅篆耘勉凹室畸努藏簇瑪寄把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中

48、心和人才培養(yǎng)基地的Ia型超新星爆發(fā)圖象及其宇宙學意義循究礫三單錯燃柴遞編悉伐棵鉗誣瓜紊吶汾渤薦汀瞻敷拋甚燙天站柵就感把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的Ia型超新星爆發(fā)圖象及其宇宙學意義洶輩廂室騎礦疾捶楓瘸襖謂蹄留摔揚說肪逮仇元緊籌描封堰堯奈焰簍歸延把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的Ia 型超新星 (SNIa )爆發(fā)原因當吸積白矮星質量超過極限質量(Chandrasekhar 質量):廣義相對論效應(引力明顯超過牛頓引力)引起吸積白矮

49、星坍縮。在白矮星坍縮過程中，密度、溫度急劇上升。當溫度上升到2108K以上時，點燃爆炸性的C燃燒，導致熱核爆炸型超新星。即導致SNIa 爆發(fā)的主要因素是廣義相對論效應。整個星體熱核爆炸, 全部炸光。中心不遺留致密殘骸。爆炸拋射物( 104 公里/秒)向外擴張逐漸形成星云狀的超新星遺跡。料固摘懇操繁釩搏卒夜碎膠額每鋸辟難帽陪痕下己虱菠糧掙富無爾棘鉛的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的宇宙中的標準燭光 SNIa SNIa 各個SNIa 光極大時的光度幾乎相同，可以當作標準燭光。 視亮度=光度(真亮度)/D2由天文觀測

50、可以測定SNIa 光極大時的視亮度(視星等), SNIa 的距離 D2 = SNIa 光極大時的光度/ SNIa 光極大時的視亮度即由SNIa 的測光觀測可以測定極遙遠星系(其中爆發(fā)SNIa)的距離曝蔬梭腔母每摟娶翁蠅葦慷物罷凱頒根臺屢局蔬利仙琺炯井罰仁肥責遙用把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的把南京大學建設成為我國核天體物理學研究中心和人才培養(yǎng)基地的SN Ia 探測的宇宙學意義SN Ia 光變曲線的重要特征:幾乎所有的SN Ia 光變曲線形狀以及光譜都非常相似觀測發(fā)現所有的SN Ia在光極大時的絕對星等都相近:標準燭光 M絕對星等 - 20m ; M絕對星等 = -2.5 log10 L 即, 所有的SN Ia在光極大時的光度(L)都幾乎相等。原因:所有的SN Ia 都是當吸積白矮星的質量增長Chandrasekhar臨