恒星的演化与终结PPT课件

1、恒星的恒星的热核热核演化与终结演化与终结彭秋和彭秋和(南京大学天文系)R地球地球 6370 公里公里 1.4 g/cm3 太阳内部状况太阳内部状况Tc(1.4-1.5)(1.4-1.5)10107 7 K Kc c(50-100) g/cm3H: X0.68He: Y0.30 Z0.02(C、N、O以上重元素以上重元素)太阳能源太阳能源 从很远处看从很远处看, 太阳是一个黄色的矮星太阳是一个黄色的矮星太阳中心区域内持续不断的热核燃烧。太阳中心区域内持续不断的热核燃烧。 4 1H 4He由由Einstein 的质量的质量-能量关系式能量关系式 E = Mc2M c2 = 4 M(1H) M(4H

2、e)c2 = 26.73 MeV同时释放同时释放26.73 MeV的能量。的能量。太阳内部每秒钟都有太阳内部每秒钟都有7,750万吨的氢在这种热核爆炸过程中转化为氦万吨的氢在这种热核爆炸过程中转化为氦, 正是由于这种热核燃烧维持着太阳巨大的光度。正是由于这种热核燃烧维持着太阳巨大的光度。太阳内部这种热核燃烧已经持续了太阳内部这种热核燃烧已经持续了45亿年。亿年。估计它还可以这样稳定地再燃烧估计它还可以这样稳定地再燃烧50亿年左右。亿年左右。在恒星世界中太阳是一个普通的恒星。在恒星世界中太阳是一个普通的恒星。恒星内部热核燃烧与演化恒星内部热核燃烧与演化一颗恒星的演化史本质上就是它内部核心区域的一

3、颗恒星的演化史本质上就是它内部核心区域的热核热核( (燃烧燃烧) )演化史。大质量恒星演化进程将先后经演化史。大质量恒星演化进程将先后经历一系列热核燃烧阶段历一系列热核燃烧阶段: :H燃烧燃烧 ( (稳定核燃烧稳定核燃烧, , 主序星主序星):): 核合成主要结果核合成主要结果: : 4 1H 4He 1. PP反应链反应链- Tc 1.6 107 K 小质量恒星小质量恒星 1.1 M 对太阳对太阳( ), 稳定燃烧稳定燃烧100亿年亿年 pp链链:氢氢(质子质子)合成氦合成氦(粒子粒子) 小质量小质量(M 1.1 M(M 1MeV) 只对只对8 8B B高能中微子起反应高能中微子起反应结合日

4、本的超神冈切仑柯夫水探测器结合日本的超神冈切仑柯夫水探测器 (+ e- + e- 弹性弹性散射散射, ,能阈值能阈值 3MeV); 只对只对8 8B B高能中微子起反应高能中微子起反应, , 但是对但是对e e、 三种中微子都有效三种中微子都有效。表明了表明了: :中微子振荡现象确实存在中微子振荡现象确实存在为此为此, Davis , Davis 分享了分享了20022002年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。CNO循环循环(Tc 2 107 K中，中，大质量恒星的氢燃烧大质量恒星的氢燃烧) 20Na 0.446s Ne-Na循环循环 (p, ) 18Ne 19Ne 20Ne (p, ) 1.

5、675s 17.3s + 17F 18F 19F 64.5s 109.8m 14O 15O 16O 17O 18O 70.6s 122s 13N 14N 15N AZ 稳定核素稳定核素 9.96m AY 放射性核素放射性核素 1/2 12C 13C4He + 4He 8Be + 8Be + 4He 12C + 8Be是非常不稳定的同位素，分裂成两个是非常不稳定的同位素，分裂成两个4He的的时标仅为时标仅为10-12 s。但它在分裂前有一定概率再。但它在分裂前有一定概率再吸收一个吸收一个粒子粒子 而转变为而转变为12C 3 反应反应氦燃烧氦燃烧 ( (红巨星红巨星) ) T108 K点燃核燃烧的

6、临界点燃核燃烧的临界( (极小极小) )质量质量热核燃烧点火条件热核燃烧点火条件库仑EkTnuccTnucTMeVAZZReZZEnuc312122120库仑nuccTT 星体中心温度星体中心温度核燃烧的点火温度核燃烧的点火温度热核燃烧的点火温度是由核物理的微观性质来决定的，它可以热核燃烧的点火温度是由核物理的微观性质来决定的，它可以从入射核的热运动能从入射核的热运动能( (考虑隧道效应考虑隧道效应) )大约等于库仑位垒高度的大约等于库仑位垒高度的(5-10)%(5-10)%来估算来估算) 1 . 005. 0(恒星的中心温度则是由恒星整体的宏观性质决定的。一般来恒星的中心温度则是由恒星整体的

7、宏观性质决定的。一般来说，质量愈大的恒星，其中心温度愈高。说，质量愈大的恒星，其中心温度愈高。 续续对处于稳定氢燃烧阶段的主序星，其中心温度对处于稳定氢燃烧阶段的主序星，其中心温度和密度同恒星质量的关系分别为和密度同恒星质量的关系分别为,tcMT Mc)2131(t) 121(7105 . 1cTtnucEMM1库仑K太阳太阳:质量很大的主序星例质量很大的主序星例Wolf-Rayet 星，星，)5030(MM 710)97(cTK推论推论:只有当恒星质量大於某一确定值时只有当恒星质量大於某一确定值时它才可能点燃相应的热核燃烧。它才可能点燃相应的热核燃烧。随着参与反应的原子核的核电荷增长随着参与

8、反应的原子核的核电荷增长, ,其间库仑位垒迅其间库仑位垒迅速增加，上式中的速增加，上式中的 也随之增加。也随之增加。 因而，质量不太因而，质量不太大的恒星内部只能点燃某些轻核的热核反应而不能点大的恒星内部只能点燃某些轻核的热核反应而不能点燃较重原子核的核燃烧。也就是说，它们的核燃烧是燃较重原子核的核燃烧。也就是说，它们的核燃烧是不完全的。不完全的。核燃烧的密度条件核燃烧的密度条件热核燃烧尚未开始或熄灭时，星体核心收缩，热核燃烧尚未开始或熄灭时，星体核心收缩，Tc ，同时，同时c , 能否达到能否达到TcTnuc条件。取决于星体核心是否以能够继续收缩。条件。取决于星体核心是否以能够继续收缩。 星

9、体核心继续收缩条件：星体核心继续收缩条件：cD D：电子简并密度（固体状态）：电子简并密度（固体状态）若若cD.电子气体的电子气体的Fermi(量子量子)简并压强非常强大简并压强非常强大,足以抗足以抗 阻引力收缩阻引力收缩,星体不再收缩星体不再收缩,Tc不再升高不再升高(需考虑中微子发射需考虑中微子发射), (强简并条件强简并条件),质量小的恒星质量小的恒星(主序时主序时c高高),容易达到这一条件容易达到这一条件 这时恒星核心停止热核演化。这时恒星核心停止热核演化。结局：白矮星结局：白矮星+行星状星行星状星2/3848 . 2 TD434/(10/)g cm88/10TTK电子简并压强在星体热

10、核演化的重要作用电子简并压强在星体热核演化的重要作用若若C D，弱弱( (电子电子) )简并状态简并状态, PPe与与T无关，但无关，但Pe不够强大，星体核心仍会收缩，不够强大，星体核心仍会收缩， TC Tnuc 核燃烧核燃烧简并物质内核燃烧是完全不稳定的简并物质内核燃烧是完全不稳定的 失控热核反应失控热核反应( (局部爆炸性核燃烧局部爆炸性核燃烧) )。5 / 3ePKBrown Stars 和耀星和耀星在原始恒星中在原始恒星中, ,小质量恒星的中心密度较高。随着形成恒星的星云小质量恒星的中心密度较高。随着形成恒星的星云引力收缩引力收缩, , 原始恒星中心温度不断上升的同时，其中心密度也随原

11、始恒星中心温度不断上升的同时，其中心密度也随着进一步增加。所以，着进一步增加。所以， 对于质量太小的恒星对于质量太小的恒星( (例如，当恒星质量例如，当恒星质量低于低于0.07 M 时时) )，当它们的中心温度尚未上升到氢燃烧的点火温，当它们的中心温度尚未上升到氢燃烧的点火温度度 ( (107 K) )时时, , 其物质密度也因星体收缩而远远超过了电子简并其物质密度也因星体收缩而远远超过了电子简并条件的密度值条件的密度值 此后星体内电子简并压强已足以抗拒星体自引力的压缩，恒星不此后星体内电子简并压强已足以抗拒星体自引力的压缩，恒星不再收缩，其中温度也不会再升高。因而其中心温度始终低于氢燃再收缩

12、，其中温度也不会再升高。因而其中心温度始终低于氢燃烧的点火温度。这些恒星内部也不能点燃前述能源序列中的任何烧的点火温度。这些恒星内部也不能点燃前述能源序列中的任何核燃烧。这些恒星的光度远远低于以核燃烧为其能源的主序星的核燃烧。这些恒星的光度远远低于以核燃烧为其能源的主序星的光度，这类光度很低的恒星称为褐矮星光度，这类光度很低的恒星称为褐矮星( (Brown Star) ) 。 在原始小质量恒星收缩过程中，如果其中心温度达到在原始小质量恒星收缩过程中，如果其中心温度达到H燃烧大规燃烧大规模进行的点火温度附近时，正好物质密度也接近或达到上述简并模进行的点火温度附近时，正好物质密度也接近或达到上述简

13、并密度，则由于简并物质中的热核燃烧是不稳定的，它将导致局部密度，则由于简并物质中的热核燃烧是不稳定的，它将导致局部爆炸性的爆炸性的H燃烧。不过，它并不会导致整个星体爆炸。近年来在燃烧。不过，它并不会导致整个星体爆炸。近年来在天文观测上发现某些低光度恒星亮度出现短暂的闪亮，人们认为天文观测上发现某些低光度恒星亮度出现短暂的闪亮，人们认为它正是这种正在形成的小质量恒星在弱它正是这种正在形成的小质量恒星在弱( (电子电子) )简并状态下氢燃烧简并状态下氢燃烧开始点火时出现的氢闪现象开始点火时出现的氢闪现象, ,称为耀星。称为耀星。核心核心He燃烧的点燃燃烧的点燃氦燃烧氦燃烧(3反应反应)的点火温度为

14、的点火温度为108K。当恒星核心区氢燃烧熄灭后，无核能源，星体核心开始收缩，只有当恒星核心区氢燃烧熄灭后，无核能源，星体核心开始收缩，只有当中心温度上升到当中心温度上升到108K以上，才能点燃以上，才能点燃氦燃烧。但是氦燃烧。但是,在主序阶在主序阶段低质量恒星的中心密度高于大质量星的密度。经历收缩之后，段低质量恒星的中心密度高于大质量星的密度。经历收缩之后，当中心温度到达当中心温度到达108K时，不同时，不同质量的恒星质量的恒星, 中心密度分别为中心密度分别为 D (强简并状态强简并状态)。 核心核心不能继续收缩升温不能继续收缩升温,不能点燃氦燃烧。不能点燃氦燃烧。 0.5 的恒星的恒星, 核

15、心可以点燃氦燃烧核心可以点燃氦燃烧0.5 2.2 , 当它们的中心温度上升到当它们的中心温度上升到108K时时, c D (弱简并状态弱简并状态)。 经历经历( (局部局部) )爆炸性爆炸性氦燃烧氦燃烧 He- -闪闪 2.2 当它们的中心温度上升到当它们的中心温度上升到108K时时, c 8m 点燃平稳点燃平稳C-燃烧燃烧 超新星超新星AGB星星M 8 MH-包层包层H-燃烧壳层燃烧壳层He-燃烧壳层燃烧壳层C-O核心核心( (电子简并电子简并) )在在HeHe燃烧壳层内燃烧壳层内慢中子俘获过程慢中子俘获过程核合成核合成( (比铁还重比铁还重) )重元素重元素很薄的很薄的H、He壳层壳层燃烧

16、在热力学上是燃烧在热力学上是不稳定的，导致热不稳定的，导致热脉冲脉冲26白矮星的形成白矮星的形成当初始质量小于当初始质量小于 8 8 M M的的恒星演化到红巨星时候，恒星演化到红巨星时候，会形成会形成AGB星星( (具有具有C、O( (电子电子) )简并核心和非简并核心和非常薄的常薄的He、H 燃烧壳燃烧壳层层( (热力学上不稳定热力学上不稳定),),历经若干次热脉冲历经若干次热脉冲( (对对M35M 恒星恒星, , 热脉热脉冲周期为几十万年冲周期为几十万年) )在最后三次热脉冲，其在最后三次热脉冲，其包层被抛射出去形成行包层被抛射出去形成行星状星云，而其核心就星状星云，而其核心就形成碳、氧白

17、矮星。形成碳、氧白矮星。27C, O, Si etcHe 燃烧(红巨星)主序星氢燃烧氘核燃烧不同质量恒星的演化不同质量恒星的演化0.080.584010710810910101011褐矮星C / O白矮星He白矮星中子星黑 洞M/ M Time / yr超新星超新星爆爆 发发0.01? 恒星在赫罗图上的分布特征主序星白矮星红巨星蓝超巨星太阳附近：90% 主序星 9% 白矮星 1% 红巨星恒星在赫罗图上的演化 恒星的一生就是一部和引力斗争的历史！恒星在一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

18、演化通常要经历： 核心氢燃烧的主序星阶段(Main Sequence ) 核心氢燃烧枯竭后的红巨星阶段(Red Giant Branch ) 核心氦燃烧枯竭后的渐进巨星支阶段(Asymptotic Giant Branch) 热脉冲形成行星状星云和白矮星；或者进入碳主序 大质量恒星形成洋葱结构 经历氦闪或不经历氦闪进入核心氦燃烧的水平支阶段(He core flash and Horizontal Branch )质量越大的恒星寿命越短，越早脱离主序。赫罗图脱离主序的位置对应星团的年龄。M / M最后归宿最后归宿质量非常小质量非常小恒恒 星星 30经历经历H, He, C, Ne, O, Si

19、 等各等各燃烧阶段燃烧阶段超新星超新星爆发爆发黑洞黑洞?不同质量恒星的演化和归宿不同质量恒星的演化和归宿34致密天体致密天体ObjectMass a( M )Radius b( R )Mean Density( g cm-3 )Surface Potential( GM/Rc2 )SunMR110-6White Dwarf M 10-2 R 107 10-4Neutron Star 1-3 M 10-5 R 1015 10-1Black holeArbitrary2 GM / c2 M / R3 1 a M = 1.989 x 1033 g b R = 6.9599 x1010 cm如何判断一

20、个的天体是否需考虑广义相对论修正？白矮星白矮星质量质量 M 0.2-1.1 M （平均（平均 0.6 M ）半径半径 R 5108-109 cm密度密度105-107 gcm-3物质成分与结构物质成分与结构: C-O Ne-Mg-Si 晶体晶体 (例例: 金刚石、宝石金刚石、宝石)表面温度表面温度 1 104 K 内部温度内部温度 106 K自转周期自转周期 P 10 sec无核燃烧无核燃烧 例例: 天狼星天狼星(夜天空中最明亮的恒星夜天空中最明亮的恒星)的伴星的伴星 中子星中子星( (脉冲星脉冲星) )性质概要性质概要质量质量 (0.2-2.5)M 半径半径 (10-20) km自转周期自转

21、周期 P 1.5 ms 8s (己发现的范围己发现的范围)中子星大气层厚度中子星大气层厚度 10 cm表面磁场表面磁场: 1010-1013 Gauss (绝大多数脉冲星绝大多数脉冲星) (?)磁星磁星 1014-1015 Gauss; 活动性活动性: AXP(Lx1034-1036ergs/s); SGRB (?)表面温度表面温度:105-106K 非脉冲非脉冲(软软)x射线热辐射射线热辐射;磁星磁星: T表面表面107K (?)脉冲星同超新星遗迹成协脉冲星同超新星遗迹成协(?) 发现发现10个个脉冲星的空间运动速度脉冲星的空间运动速度: 高速运动。高速运动。(?) 大多数大多数: V (2

22、00 500)km/s ; 5个个: V 1000km/s 通常恒星通常恒星(包括产生中子星的前身星包括产生中子星的前身星): 20-50 km/s9494颗脉冲颗脉冲( (单单) )星的空间速度星的空间速度V (km/s) 脉冲星数脉冲星数 所占百分比所占百分比 100 71 3/4 300 36 38% 500 14 15% 1000 5 5%为什么为什么? ?不对称的爆发或发射不对称的爆发或发射( (辐射或中微子辐射或中微子) )导致非常巨大的导致非常巨大的 “kick”脉冲星空间速度方向同它的旋转轴共线脉冲星空间速度方向同它的旋转轴共线至少对至少对Crab and Vela PSR (

23、Lai, Chernoff and Cordes(20001)Crab 星云星云脉冲星脉冲星年轻脉冲星的年轻脉冲星的Glitch现象现象: (非常规则缓慢增长的非常规则缓慢增长的)脉冲周期脉冲周期 (P) 突然变短现象突然变短现象1061010 脉冲周期平稳地增长背景上偶然地脉冲周期会突然变短脉冲周期平稳地增长背景上偶然地脉冲周期会突然变短( (周期变周期变化幅度为化幅度为1010-6-6-10-10-10-10) ), , 随后较之前更迅速地变慢，持续直到恢复随后较之前更迅速地变慢，持续直到恢复过去的周期增长率。这种现象称为过去的周期增长率。这种现象称为GlitchGlitch现象。现象。

24、( (至至20052005年底年底) )已发现约已发现约7272个脉冲星出现个脉冲星出现GlitchGlitch现象现象( (共约共约189189次次),),至少有至少有8 8个脉冲星的个脉冲星的GlitchGlitch幅度超过幅度超过1.01.01010-6-6。PRS Vela : 36PRS Vela : 36年出现年出现1111次次 Glitch ,Glitch ,其中其中9 9次的幅度超过次的幅度超过1.01.01010-6-6; ; PSR Crab: 36 PSR Crab: 36年出现年出现1919次次Glitch,Glitch,幅度超过幅度超过1.01.01010-6-6的仅

25、的仅1 1次次; ;PSR 1737-30 PSR 1737-30 呈现呈现9 9次次Glitch,Glitch,它的最大幅度仅达到它的最大幅度仅达到0.70.71010-6-6。 还发现更多脉冲星呈现微还发现更多脉冲星呈现微GlitchGlitch现象现象( (周期变短幅度低于周期变短幅度低于1010-12-12) )glitchPt321010P/1中子星内部结构中子星内部结构: :中子超流涡旋运动中子超流涡旋运动核心核心(1km)3P2 (5-8)% 质子质子 ( II 型超导体型超导体?) (正常正常)电子电子Fermi气体气体 = (g/cm3)10141011107内壳内壳超富中子

26、超富中子核、晶体、核、晶体、自由电子自由电子 外壳外壳(重金属晶体重金属晶体)夸克物质夸克物质 ? ?51014104电子电子气气体体为为超超相相对对论论简简并并( (非超导非超导) )中中子子( (质子质子) )气气体体为为非非相相对对论论简简并并1S0 与与 3PF2 中子超流体中子超流体1S0中子超流涡旋中子超流涡旋1S0 中子中子Cooper 对对: 自旋自旋=0, 各向同性各向同性 1S0 中子能隙中子能隙 :(1S0) 0, 1011 (g/cm3) 1.41014 (1S0)2MeV 71012 (g/cm3) 510133PF2中子超流涡旋中子超流涡旋3PF2中子中子Cooper 对对: 自旋自旋=1, 各向异性各向异性, 具有具有(反常反常)磁矩磁矩 10-23 c.g.s.)3PF2中子能隙中子能隙 :