恒星的形成与演化(科普版)

1、恒星的形成与演化恒星的形成与演化 大爆炸大爆炸 第一代第一代 结构结构现在现在 恒星的形成恒星的形成 l 大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学 宇宙的极早期，宇宙的温度和密度都宇宙的极早期，宇宙的温度和密度都极高极高 温度不断下降，宇宙辐射为主温度不断下降，宇宙辐射为主物质为主物质为主 气体逐渐凝聚成气云，然后有气体逐渐凝聚成气云，然后有恒星、星系恒星、星系 l 恒星形成理论恒星形成理论 星际气体怎么会形星际气体怎么会形 成光辉夺目的成光辉夺目的恒星恒星 呢？呢？ 2021-8-3 散布于空间弥漫物质在散布于空间弥漫物质在引力引力作用下凝聚为恒星作用下凝聚为恒星 宇宙空间存在着大量的星际物质（宇宙空间存在

2、着大量的星际物质（星际气体、星际尘埃、 宇宙线与星际磁场） 由于星际物质密度的不均匀性，形成了一些密度较大区域由于星际物质密度的不均匀性，形成了一些密度较大区域 星际物质受到引力的作用，便聚集到这些区域，形成星云星际物质受到引力的作用，便聚集到这些区域，形成星云 星云不断收缩，势能转换为恒星内部热能和向外的辐射能星云不断收缩，势能转换为恒星内部热能和向外的辐射能 星云温度不断提高，并向外辐射能量，从而形成原始恒星星云温度不断提高，并向外辐射能量，从而形成原始恒星 不同类型的恒星不同类型的恒星 规模较小的星云形成一个规模较小的星云形成一个孤立的恒星孤立的恒星, , 大的星云由于密度不均匀大的星云

3、由于密度不均匀, ,其中有几个质量中心其中有几个质量中心, ,因而形因而形 成成双星、聚星或星团双星、聚星或星团。 质量非常小的星云质量非常小的星云, ,不能收缩成为恒星不能收缩成为恒星 2021-8-34 巨蛇座弥漫星云巨蛇座弥漫星云M16M16 弥漫星云 猎户座马头星云 弥漫星云 玫瑰星云 弥漫星云 三叶星云 弥漫星云 人马座礁湖星云M8 弥漫星云 行星状星云 金牛座蟹状星云M1 亮星云：发射星云，反射星云 星云 暗星云 马头星云 鹰云 l暗星云 (dark nebulae) 大量的尘埃阻挡了星云内 部或后面恒星的星光。 昴星团 l反射星云 (reflection nebulae) 星云通

4、过尘埃反射附近的热星的星光而发光，颜色偏蓝。 热星的光谱型一般晚于B3型。 恒星形成理论恒星形成理论: 弥漫学说弥漫学说 散布于空间弥漫物质在引力作用下凝聚为恒星散布于空间弥漫物质在引力作用下凝聚为恒星 宇宙空间存在着大量的星际物质（宇宙空间存在着大量的星际物质（星际气体、星际尘埃、 宇宙线与星际磁场） 由于星际物质密度的不均匀性，形成了一些密度较大区域由于星际物质密度的不均匀性，形成了一些密度较大区域 星际物质受到引力的作用，便聚集到这些区域，形成星云星际物质受到引力的作用，便聚集到这些区域，形成星云 星云不断收缩，势能转换为恒星内部热能和向外的辐射能星云不断收缩，势能转换为恒星内部热能和向

5、外的辐射能 星云温度不断提高，并向外辐射能量，从而形成原始恒星星云温度不断提高，并向外辐射能量，从而形成原始恒星 不同类型的恒星不同类型的恒星 规模较小的星云形成一个规模较小的星云形成一个孤立的恒星孤立的恒星, , 大的星云由于密度不均匀大的星云由于密度不均匀, ,其中有几个质量中心其中有几个质量中心, ,因而形因而形 成成双星、聚星或星团双星、聚星或星团。 质量非常小的星云质量非常小的星云, ,不能收缩成为恒星不能收缩成为恒星 2021-8-315 l由万有引力产生的一种不稳定性，因由万有引力产生的一种不稳定性，因 金斯在金斯在2020世纪初最先研究而得名世纪初最先研究而得名 l对于一个如星

6、云的自引力体系，对于一个如星云的自引力体系，当星当星 云的质量足够高时，云的质量足够高时，( (向内的向内的) )引力超引力超 过由热运动和湍动产生的过由热运动和湍动产生的( (向外的向外的) )压压 力，将引起星云的收缩力，将引起星云的收缩 l星云不稳定的极限质量称为金斯星云不稳定的极限质量称为金斯 (Jeans)(Jeans)质量：质量： 2021-8-16 MJ1.210 5 M T 100K 3 2 10 24 gcm3 1 2 3 2 James Jeans 1877 - 1946 2021-8-17 MJ1.210 5 M T 100K 3 2 10 24 gcm3 1 2 3 2

7、 中性氢云：中性氢云：n 1cm-3, T 100KMJ3104 M 暗分子云：暗分子云：n 106 cm-3, T 10 K MJ1 M JeansJeans质量判据给出了质量判据给出了非相对论非相对论、无磁场无磁场星云星云 坍缩的必要条件坍缩的必要条件( (并不是所有的星云都可以形成恒星并不是所有的星云都可以形成恒星) ) l有效的能量辐射有效的能量辐射 辐射压将反抗引辐射压将反抗引 力力,阻碍星云塌缩阻碍星云塌缩 l星系潮汐力影响星系潮汐力影响 l星云原初角动量星云原初角动量 Rotationthat is, spincan also compete with gravitys inwa

8、rd pull 2021-8-20 垂直自转轴方向停止收缩，平行方向继续收缩，垂直自转轴方向停止收缩，平行方向继续收缩， 星云变得扁平且密度增大，最终星云碎裂。总角动星云变得扁平且密度增大，最终星云碎裂。总角动 量被分解为各个碎块的自转和轨道角动量。量被分解为各个碎块的自转和轨道角动量。 l原始星云的磁场原始星云的磁场 原始星云一般具有微弱的磁场。原始星云一般具有微弱的磁场。 随着星云收缩，磁场强度变大。随着星云收缩，磁场强度变大。 磁场将阻止星云收缩，特别是垂磁场将阻止星云收缩，特别是垂 直于磁场方向的收缩。直于磁场方向的收缩。 2021-8-21 Magnetism can hinder

9、the contraction of a gas cloud, especially in directions perpendicular to the magnetic field (solid lines). Frames (a), (b), and (c) trace the evolution of a slowly contracting interstellar cloud having some magnetism. 2021-8-22 HSTHST拍摄到了迄今为拍摄到了迄今为 止最清晰的止最清晰的猎户座星猎户座星 云云全景照片。这张照全景照片。这张照 片不仅显示出大量恒片不仅

10、显示出大量恒 星的诞生，也包含有星的诞生，也包含有 罕见的褐矮星。罕见的褐矮星。 2021-8-23 猎户星云缩小图最大恒星深红色柱 Failing stars Sculpting the landscape Pillars of gas 2021-8- I 这是一张从这是一张从 Spitzer 和和HST 得到得到 的图片的图片 光波波长为 0.43微米,0.50 微米和0.53微米 是蓝色的。 波长0.6微 米,0.65微米， 0.91微米是绿色 的。 3.6微米的光是 橘黄色的 8微米的光 是红 色的 l恒星的形成恒星的形成： 引力坍缩引力坍缩 分子云 恒星 恒星演化的基本原理 恒星在一

11、生的演化中总是试图处于稳定状态 （流体静力学平衡和热平衡）。当恒星无法产生 足够多的能量时，它们就无法维持热平衡和流体 静力学平衡，于是开始演化。 恒星的一生就是一部和引力斗争的历史！ 如果恒星处于流体静力学平衡和热平 衡，而且它的能量来自内部的核反应，它 们的结构和演化就完全唯一地由初始质量 和化学丰度决定。 l赫罗图是天文学上最重要的图之一， l由 Hertzsprung 丹麦与 Russell美国 分别发现。如以恒星的表面温度、发光能力 亮度与光谱型态为坐标作图，恒星在图上 的分布可分成数群：Ia亮超巨星& Ib超 巨星, II亮巨星, III巨星, IV 次巨星, V主序星与白矮星。传

12、统上横 轴上的温度是由右向左递增。 l右方的纵轴为恒星的绝对星等，亦即恒星在距 地球10 pc(32.6 ly)时的视星等。绝对星 等可量度一恒星的实际亮度。 亮度亮度 温度温度 不同的恒星 有不同的位置 10000 1000 100 10 1 10 1 100 1 1000 1 OBAFGKM 40000 0 10000 0 7000 0 5000 0 3000 0 温度(0C) 和太阳比较下的实际亮度 光谱型 蓝 白 黄 橙 红 太阳的一生 五千万年 太阳在主序带上 燃烧一百亿年 五亿年 太阳膨胀成为红巨星 比地球轨道还大 太阳由气体云收缩 太阳的外层 因激烈的胀缩而爆发 75000年 寿

13、终正寝的太阳 成为白矮星 最后，变成黑矮星 l小质量星在赫罗图上的演化轨迹 l中等质量星在赫罗图上的演化轨迹 恒星中心核可能经历的核燃烧过程及其生成物 恒星内部物理过程 ： 核心H枯竭壳层H燃烧 核心He燃烧核心He枯竭壳层He和H燃烧 核心C燃烧核心C枯竭壳层C、He和H燃烧 O, Ne, Si燃烧 Fe核 l经历多种元素聚合反应后， 以超新星爆发的形式结束 一生。 l1987.2.23爆发 (d = 170,000 ly)，是人类自望远镜发明 以来第一颗凭肉眼发现的 超新星。 l前身星： Sanduleak - 69202，B3 I型蓝超巨星 M 20 M，L 105 L，T 16,000

14、 K，R 40R SN 1987A in X-ray Crab Nebula - Optical and X-ray 天鹅圈 Cygnus Loop 恒星的形成与演化图 红巨星 热力与重力的抗争热力与重力的抗争 红巨星的终结会因质量的不同而有不同的结果：红巨星的终结会因质量的不同而有不同的结果： 质量为太阳三倍以下，会形成白矮星质量为太阳三倍以下，会形成白矮星。 质量为太阳三倍以上，则形成超新星。质量为太阳三倍以上，则形成超新星。 热力与重力的抗争热力与重力的抗争 红巨星乃恒星的红巨星乃恒星的老年老年状态，恒星内部的核状态，恒星内部的核 融合将氢结合成氦、氦合成碳、碳合成氧融合将氢结合成氦、氦

15、合成碳、碳合成氧.直直 至产生铁后，便不能再进行核融合。核融合变少，至产生铁后，便不能再进行核融合。核融合变少， 恒星温度下降，使恒星收缩。收缩后，又因收缩恒星温度下降，使恒星收缩。收缩后，又因收缩 产生热力，恒星再次膨胀。恒星就如此落入重力产生热力，恒星再次膨胀。恒星就如此落入重力 与热力的竞争中。后期因铁核增大，膨胀收缩的与热力的竞争中。后期因铁核增大，膨胀收缩的 幅度上升，形成称为幅度上升，形成称为变星变星的亮度脉冲星体。的亮度脉冲星体。 红巨星红巨星 它为什么称为红巨星呢? 当一星球，进入碳氮氧循环核能反应 的变星阶段。 此时星球的外观充满着快 速扩散的气体，也因此而降低了温度， 呈现红色的低温特征， 如此巨大呈 现泛红的星体被称之为: 红巨星 星球外层气体 会膨胀而成:红 巨星 白矮星 白矮星为小质量恒星 的死亡方式。在红巨星 阶段，气体层散发后， 剩下的散发淡光的铁核， 这就是白矮星。白矮星 温度很高，质量也大， 一立方厘米约为十个人 的质量，大小如同地球。 白矮星最后会因能量 散失(主要是光)而变为暗 淡无光的黑矮星。 超新星 新星 超新星的残骸 超新星为大质量恒星的死亡方式。恒 星因铁核质量周过大，膨胀收缩激烈， 铁核因重力使质子与电子结合，形成 中子核和放出微中子。气体层收缩，