恒星的形成、结构及元素合成

1、2021-12-151第三章第三章 恒星的形成与演化恒星的形成与演化1.1.恒星形成恒星形成2.2.恒星结构恒星结构3.3.元素合成元素合成4.4.恒星演化恒星演化5.5.超超 新新 星星6.6.密近双星密近双星 2021-12-2恒星形成恒星形成nStudying this chapter will enable you to: qDiscuss the factors that compete against gravity in the process of star formation. qExplain how the process of star formation depend

2、s on stellar mass. qDescribe some of the observational evidence supporting the modern theory of star formation. qExplain the nature of interstellar shock waves, and discuss their possible role in the formation of stars.2021-12-3早期大爆炸大爆炸第一代第一代结构结构现在现在2021-12-4n大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学q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

3、度和密度都极高极高q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q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 n恒星形成理论恒星形成理论q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？2021-12-5nHow do stars form? What factors determine the masses, luminosities, and distribution of stars in our Galaxy?nWhat determines which interstellar clouds colla

4、pse?引力！引力！n引力为天体和整个宇宙动力学的支配者引力为天体和整个宇宙动力学的支配者2021-12-62021-12-157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q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: : 原子原子/ /分子分子/ /尘埃尘埃q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q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q星云不断收缩，势能转换为恒星内部热能

5、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q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q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, ,q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。q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2021-12-8金斯（金斯（JeansJeans）不稳定性）不稳定性n由万有引力产生的一种不稳定性，由万有引力产生的

6、一种不稳定性，因金斯在因金斯在2020世纪初最先研究而得世纪初最先研究而得名名n对于一个如星云的自引力体系，对于一个如星云的自引力体系，当星云的质量足够高时，当星云的质量足够高时，( (向内的向内的) )引力超过由热运动和湍动产生的引力超过由热运动和湍动产生的( (向外的向外的) )压力，将引起星云的收压力，将引起星云的收缩缩n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：James Jeans1877 - 19462021-12-9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,

7、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) )金斯（金斯（JeansJeans）不稳定性）不稳定性2021-12-12其它影响恒星形成的因素：其它影响恒星形成的因素：n能量的有效辐射能量的有效辐射q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n星系潮汐力影响星系潮汐力影响n星云原初角动量星云原初角动量qRotationthat is, spincan also compete with gravitys inward

8、 pull垂直自转轴方向停止收缩，平行方向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，继续收缩，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。个碎块的自转和轨道角动量。2021-12-13其它影响恒星形成的因素：其它影响恒星形成的因素：n原始星云的磁场原始星云的磁场q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。Magnetism can hin

9、der 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.2021-12-14演化轨迹：演化轨迹： each for a fixed mass at different times等年龄线：等年龄线：each fo

10、r a fixed time and different masses2021-12-15阶段阶段观测天体观测天体核心温核心温度度 (K) (K)表面温表面温度度 (K) (K)核心密度核心密度 (cm(cm-3-3) )直径直径(cm)(cm)持续时间持续时间 (yr)(yr)1 1星际云星际云1010101010103 3101019192 210106 62 2星云块星云块100100101010106 6101017173 310104 4类太阳质量恒星的形成类太阳质量恒星的形成星云的快速收缩过程星云的快速收缩过程( (密度小，辐射透明，等温收缩密度小，辐射透明，等温收缩) )1. 1

11、. 星际云星际云 (interstellar cloud): (interstellar cloud):星际云坍缩，星际云坍缩，并分裂成小云块并分裂成小云块( (密度上升，金斯质量减小密度上升，金斯质量减小) )2. 2. 星云块星云块 (cloud fragments): (cloud fragments):星云仍十分稀薄，星云仍十分稀薄，热量可以不受阻碍地散逸，星云内的温度没有明显上升热量可以不受阻碍地散逸，星云内的温度没有明显上升 2021-12-152021-12-16163. 3. 碎裂停止碎裂停止 (fragmentation ceasess): (fragmentation ce

12、asess):星云进一星云进一步坍缩和分裂，密度上升。核心区域变得不透明，温度迅速步坍缩和分裂，密度上升。核心区域变得不透明，温度迅速上升，金斯质量增大。星云停止分裂。上升，金斯质量增大。星云停止分裂。( (等温收缩等温收缩绝热收缩）绝热收缩）阶段阶段观测天体观测天体核心温核心温度度 (K) (K)表面温表面温度度 (K) (K)核心密度核心密度 (cm(cm-3-3) )直径直径(cm)(cm)持续时持续时间间 (yr) (yr)3 3云块云块/ /原恒星原恒星10104 4100100101012121010151510105 52021-12-174. 形成原恒星形成原恒星(protos

13、tar) : 星星云快速收缩过程结束，引力几乎和气体云快速收缩过程结束，引力几乎和气体压力相等。恒星已经变得不透明，辐射压力相等。恒星已经变得不透明，辐射只能从表面逸出，中心温度迅速升高。只能从表面逸出，中心温度迅速升高。 5.原恒星演化原恒星演化(protostellar evolution): 原恒星向主序演化为主序原恒星向主序演化为主序前星，但内部温度还没有升高到前星，但内部温度还没有升高到H点火点火温度温度阶段阶段观测天体观测天体核心温核心温度度 (K)表面温表面温度度 (K)核心密度核心密度 (cm-3)直径直径(cm)持续时持续时间间 (yr)4原恒星原恒星106300010181

14、0131065主序前星主序前星51064000102210121072021-12-182021-12-196. 零龄主序零龄主序 (zero-age main-sequence stars) :恒星热核反应恒星热核反应 (H燃烧燃烧)开始进行，成为零龄主序开始进行，成为零龄主序恒星。光度约为现在太阳光度的恒星。光度约为现在太阳光度的2/3。 7. 主序星主序星 (main-sequence stars) :恒星略微收缩，完全达到恒星略微收缩，完全达到流体静力学平衡，成为正常恒星流体静力学平衡，成为正常恒星.阶阶段段观测天体观测天体核心温度核心温度 (K)表面温表面温度度 (K)核心密核心密度

15、度 (cm-3)直径直径(cm)持续时持续时间间 (yr)6零龄主序零龄主序107450010252101131077主序星主序星1.5107600010261.5101110102021-12-20Evolution of a 1-Solar-Mass Star2021-12-21Prestellar evolutionary paths for stars more massive and less massive than our Sun.2021-12-22原恒星质量原恒星质量 (M )0.21.05.015.0原恒星演化时间原恒星演化时间 (yr)109310771066104n不同

16、质量的恒星在形成过程不同质量的恒星在形成过程中，在中，在H-R图上沿不同的路图上沿不同的路径演化。径演化。n小质量原恒星内部对流发展小质量原恒星内部对流发展充分，温差小，收缩时表面充分，温差小，收缩时表面温度几乎不变；大质量原恒温度几乎不变；大质量原恒星对流层浅，温度变低。星对流层浅，温度变低。n质量越高的恒星，其原恒星质量越高的恒星，其原恒星演化到主序的时间越短，在演化到主序的时间越短，在主序上的位置越高。主序上的位置越高。 具有不同质量恒星的形成具有不同质量恒星的形成2021-12-23Formation of Massive Stars and ClustersnMassive star

17、s have masses that are much larger than the Jeans mass in the cloud cores where they form. nThe large cloud cores might contain many small bound clumps. nThese cores might form groups or clusters of stars.NGC 36032021-12-24褐矮星褐矮星 (Brown Dwarfs)nMasses 0.08 M (10MJ- 84 MJ)nCentral Te3 million KnSurfa

18、ce temperature 1000 KTWA 5 and its brown dwarf companion in Infrared (left) and in X-ray (right).2021-12-25nDifferences between brown dwarfs and planetsqPlanets are smaller and lighterqPlanets have a solid coreqThey are formed in a complete different way2021-12-26初始质量函数初始质量函数(Initial Mass Function)n

19、Generally more low-mass than high-mass stars form when an interstellar cloud fragments.nThe stellar initial mass function (IMF) describes the probability of a star forming with a particular mass.For Salpeter IMF, x =1.352021-12-27恒星形成理论的恒星形成理论的观测证据观测证据The evolutionary stages described are derived fr

20、om numerical experiments performed on computers. 2021-12-28EVIDENCE OF CLOUD CONTRACTIONThe M20 region shows observational evidence for three broad phases in the birth of a star: (1) the parent cloud (stage 1), (2) a contracting fragment (between stages 1 and 2), and (3) the emission nebula (M20 its

21、elf) resulting from the formation of one or more massive stars (stages 6 and 7)2021-12-29EVIDENCE OF CLOUD FRAGMENTS(a) Orion (b) enlarged. The three frames at right show some of the evidence for those protostars. (c) some intensely emitting molecular sites. (d) visible image of embedded nebular kno

22、ts thought to harbor protostars. (e) several young stars surrounded by disks of gas and dust where planets might ultimately form.Orion2021-12-30HSTHST拍摄到了拍摄到了迄今为止最清迄今为止最清晰的晰的猎户座星猎户座星云云全景照片。全景照片。这张照片不仅这张照片不仅显示出大量恒显示出大量恒星的诞生，也星的诞生，也包含有罕见的包含有罕见的褐矮星。褐矮星。Orion Nebula 2021-12-31猎户星云缩小图最大恒星dark red columnF

23、ailing starsSculpting the landscapePillars of gas2021-12-32Image from Spitzer and HSTwavelengths of 0.43, 0.50, and 0.53 microns is blue. Light with wavelengths of 0.6, 0.65, and 0.91 microns is green.Light of 3.6 microns is orange8-micron light is red. 2021-12-332021-12-34EVIDENCE OF PROTOSTARSAn i

24、nfrared image of the nearby region containing the source Barnard 5 (indicated by the arrow, a solar-mass protostar). On the basis of its temperature and luminosity, Barnard 5 appears to be a protostar on the Hayashi track in the HR diagram, around stage 5.2021-12-35HSTHST在可见光在可见光波段拍摄了波段拍摄了这个鹰状星这个鹰状星

25、云中的云中的“诞诞生柱生柱”，并，并且使得它扬且使得它扬名全球。名全球。Gas Pillars in the Eagle Nebula (M16): Pillars of in a Star-Forming Region 2021-12-362021-12-37Spitzer: Spitzer: 心宿增四星云内的年轻恒星心宿增四星云内的年轻恒星. . 发现大约有发现大约有300300颗正颗正在出现和新形成的恒星，平均年龄在估计只有在出现和新形成的恒星，平均年龄在估计只有3030万年万年 2021-12-38疏散星团的疏散星团的H-RH-R图图星团星团NGC 2261的的H-R图：原恒星到达主序

26、的位置图：原恒星到达主序的位置和时间随质量的变化。和时间随质量的变化。2021-12-39(1) (1) 激波压缩激波压缩超新星爆发、热星辐射或银河超新星爆发、热星辐射或银河系旋臂转动等过程产生激波。系旋臂转动等过程产生激波。激波压缩附近的星云，使其密激波压缩附近的星云，使其密度增大，触发恒星的形成。度增大，触发恒星的形成。 恒星形成过程可能类似于链式恒星形成过程可能类似于链式反应。反应。星云星云M20M20中的激波压缩效应中的激波压缩效应星云坍缩的触发机制星云坍缩的触发机制2021-12-40恒星诞生恒星诞生膨胀激波膨胀激波新生恒星新生恒星2021-12-412021-12-42(2) (2

27、) 星云碰撞星云碰撞 星系自转，它的组成物质在运动中穿旋臂而过，恒星偕同星星系自转，它的组成物质在运动中穿旋臂而过，恒星偕同星际物质在这样的过程中都是由弯曲旋臂的内侧进去，再从外际物质在这样的过程中都是由弯曲旋臂的内侧进去，再从外侧出来。星系物质穿越密度较大的旋臂，引起产星过程。侧出来。星系物质穿越密度较大的旋臂，引起产星过程。 2021-12-432021-12-44Steps to the formation of stars and planets:1.Clouds of gas form within galaxies.2.Formation of structure within t

28、he gas clouds, due to turbulence and activity of new stars.3.Random turbulent processes lead to regions dense enough to collapse under their own weight, in spite of a hostile environment.4.As blob collapses, a disk forms, with growing protostar at the center.5.At the same time, bipolar outflows from

29、 forming star/disk system begin.2021-12-456.Material is processed, moving in from the blob to the disk. What is not lost in the outflow builds up on the protostar.7.When the protostar begins to undergo fusion, it becomes a real star.8.Once the outflow ceases and the accretion phase that lead to the

30、buildup of the star ends, a disk of leftover material is left around the star.9.At or near the end of the star-formation process, the remaining material in the circumstellar disk forms a variety of planets. 10.Eventually, all that is left behind is a new star, perhaps some planets, and a disk of lef

31、t-over ground-up solidsSELF-TEST: TRUE OR FALSE?nGiven the typical temperatures found in interstellar space, a cloud containing as few as 1000 atoms has sufficient gravity for it to begin to collapsenBoth rotation and magnetic fields act to accelerate the gravitational collapse of an interstellar cl

32、oud.nThe time a solar-type star spends forming is relatively short compared to the time it spends as a main-sequence star.nStars evolve along the main sequence.nMost stars form as members of groups or clusters of stars.nBrown dwarfs take a long time to form but will eventually arrive as stars on the

33、 lower main sequence.nShock waves for star formation can also be produced by large stars moving rapidly through the interstellar medium.nIn star formation, more G, K, and M stars form than O and B stars.nThe gas in an emission nebula eventually dissipates into space, leaving behind a star clusternSt

34、ar clusters eventually dissipate, leaving behind individual stars like the Sun.2021-12-462021-12-47第三章第三章 恒星的形成与演化恒星的形成与演化1. 1.恒星形成恒星形成2.2.恒星结构恒星结构n元素合成元素合成n恒星演化恒星演化n超超 新新 星星n密近双星密近双星 http:/ r=0Surface: r=R简化假设简化假设恒星在自身引力和内部压力作用下内部有辐射转移的流体球,满足无磁场/非相对论和球对称条件.2021-12-50基本方程组基本方程组1. 1. 质量质量分布分布方程方程 考虑质

35、量为考虑质量为M、半径为、半径为R的气的气体球，半径为体球，半径为r、厚度为、厚度为dr 的球壳所包含的质量为的球壳所包含的质量为： dM(r)4p pr2r r dr dM(r)/dr4p pr2r r dr/dM(r)1/4p pr2r rRM,r)(rm)(rrdr2021-12-512. 2. 流体静力学平衡方程流体静力学平衡方程半径为半径为r r、厚度为、厚度为d dr r 的球壳内面积的球壳内面积为为d dA A的气体元：的气体元：( (引力和压力平衡引力和压力平衡) )重力重力 dFgGM(r)dM/r2 GM(r)r r dAdr/r2压力压力 dFPPdA( P + dP )

36、 dA dPdA0dFg+dFP GM(r)r rdAdr/r2dPdAdP/drGM(r)r r( (r) )/r2 rrrP+PPF2021-12-523. 能量平衡方程能量平衡方程光度方程光度方程:反应光度随半径的变化率反应光度随半径的变化率每秒由恒星表面辐射出去的总能量内部每秒产生的总能量每秒由恒星表面辐射出去的总能量内部每秒产生的总能量q L(r)单位时间通过半径为单位时间通过半径为r的球面的能量的球面的能量,辐射能流辐射能流qe e(r)单位物质在单位时间产生的能量单位物质在单位时间产生的能量,总产能率总产能率半径为半径为r、厚度为、厚度为dr的球壳两侧的能量差的球壳两侧的能量差:

37、dLL(r+dr)L(r) e edM 4p pr2reredr dL/dr 4p pr2r(r(r)e()e(r) )2021-12-4. 能量输运方程能量输运方程(能流方程能流方程)恒星中心和外部温度不同，内部存在温度梯度：恒星中心和外部温度不同，内部存在温度梯度： 能量从恒星内部传送到外部，主要由辐射和对流两种方式能量从恒星内部传送到外部，主要由辐射和对流两种方式恒星通常由气体构成，内部热传导效应不重要，可以忽略恒星通常由气体构成，内部热传导效应不重要，可以忽略dT/dMr = dT/dMr|rad + dT/dMr|condP/drGM(r)r r( (r) )/r2 dr/dM(r)

38、1/4p pr2r r2021-12-545.物态方程物态方程 PP(T,r r,X,Y,Z)n表示恒星内部的压强、温度、密度和化学组成关系的方程表示恒星内部的压强、温度、密度和化学组成关系的方程n气体内部的总压强由气体粒子运动产生的气体压强和光子气体内部的总压强由气体粒子运动产生的气体压强和光子产生的辐射压强产生的辐射压强 PPg Pr n非简并气体非简并气体 (non-degenerate gas)q理想气体状态方程理想气体状态方程 PgnkT (n为单位体积中粒子数为单位体积中粒子数)q对完全电离等离子体：对完全电离等离子体： Pgr r kT (2X3Y/4Z/2 ) /mH (其中其

39、中mH为为H原子质量原子质量)X/Y/Z定义为定义为H/He/重元素各自密度与恒星总密度之比重元素各自密度与恒星总密度之比q辐射压辐射压PraT4/32021-12-55n简并气体简并气体 (Degenerate Gas)(1) 电子简并条件：高密、低温电子简并条件：高密、低温 (2) 电子简并压的物理成因电子简并压的物理成因 ：qPauli不相容原理：不相容原理：对一个费米子组成的系统对一个费米子组成的系统,不能有两个或不能有两个或两个以上的粒子处在同一量子态两个以上的粒子处在同一量子态q泡利不相容原理禁止不同的组成粒子占据同一量子态泡利不相容原理禁止不同的组成粒子占据同一量子态,因此因此,

40、 就会迫使粒子进入高能态就会迫使粒子进入高能态,从而产生巨大的简并压力从而产生巨大的简并压力 (3) 电子简并压电子简并压 非相对论性电子（非相对论性电子（v 0辐射能量时,总能量减少(dE/dt0,即温度却上升了减少的引力能一半变成了内能,一半变成了辐射能2021-12-63Stellar timescales 恒星演化时标恒星演化时标nStars such as the Sun clearly do not change their properties rapidly. So how fast can they change ?qDynamically free-fallqThermal

41、ly radiative coolingqChemically nucleosynthesisqRadiatively diffusion2021-12-64动力学时标动力学时标 (free-fall)n从流体静力学平衡被破坏开始，到重新建立流体静力学止，从流体静力学平衡被破坏开始，到重新建立流体静力学止，中间所需要的时间中间所需要的时间n如果恒星内部压力突然消失，在引力作用下恒星坍缩时间：如果恒星内部压力突然消失，在引力作用下恒星坍缩时间： td R/V (R3/GM)1/2 (27 min) (R/R )3/2(M/M )- -1/2(由恒星内部的运动方程由恒星内部的运动方程,忽略压力项时

42、忽略压力项时,即自由落体即自由落体,可以求得可以求得)nalso:qthe characteristic time for a significant departure from hydrostatic equilibrium to alter the state of a star appreciably,qthe time taken for a body orbiting at the surface of the star to make one complete revolution,qthe time for a sound wave to propagate through t

43、he star2021-12-65开尔文时标开尔文时标 ：thermal timen恒星将全部势能转换为辐射能所能持续的时间恒星将全部势能转换为辐射能所能持续的时间tk V/L=(GM2/R)/L(3107 yr) (M/M )2 (R/R )- -1 (L/L )- -1n计算：计算：qthe time required for a body to radiate its总内能总内能UqU is related to 引力能引力能 V by Virial theorem U = (1/2) V.qBut V = q GM2 / R, where q =3/5 unity, so that q

44、tK = q/2 GM2 / LR 3 107 qM2/LR yqwhere M, L and R are in solar units.nThe “Kelvin time” is the relaxation time for departure of a star from thermal equilibrium. nAlso the time required for a star to contract from infinite dispersion to its present radius at constant L2021-12-66核反应时标核反应时标 nuclear tim

45、en恒星通过核心区（约占恒星质量恒星通过核心区（约占恒星质量1/101/10）核反应的）核反应的产能时间产能时间tn=E/Lh hD DMc2/L0.7%0.1Mc2/L (1010 yr) (M/M ) (L/L )-1n计算：计算：qthe fusion of four protons to create an alpha-particle the fusion of four protons to create an alpha-particle releases energy Q 26MeVreleases energy Q 26MeVqtotal available nuclear

46、energy total available nuclear energy E Enucnuc=q M/4m=q M/4mp p . Q . Qqq unity represents fraction of the star available as q unity represents fraction of the star available as nuclear fuel. nuclear fuel. n主序星燃烧氢的时间主序星燃烧氢的时间, tnuc 1x1011 q (M/M)/(L/L)yRD12N2021-12-67扩散时标扩散时标 diffusion timen辐射能转移：光

47、子与电子发生碰辐射能转移：光子与电子发生碰撞散射。撞散射。 nIf the photon-path is a random-walk of N steps, each of length , the total distance travelled is d=N ,nbut the nett distance travelled is D2=N 2nTo escape, the photon must travel a distance R, which will take ：tdiff R2 / c 5 105 R y nCompare the escape time for noninte

48、racting particles (eg neutrinos): tesc = R / c = 2.3 R snR in solar units. 2021-12-68comparative timescalescomparative timescalesStarMRLTefftesc/stff/stdiff/ytkh/ytnuc/ySun111.0E+00 5760 2.30E+00 2.20E+03 5.00E+05 3.00E+07 1.00E+11MS 5 M534.5E+02 15342 6.90E+00 2.56E+04 1.50E+06 5.52E+05 1.10E+09MS 0.2 M 0.20.3 2.2E-03 2280 6.90E-01 1.62E+02 1.50E+05 1.81E+09 9.06E+12RG1100 1.5E+03 3600 2.30E+02 2.20E+06 5.00E+07 1.97E+02 6.55E+07WD0.6 0.01 1.0E-03 10243 2.30E-02 1.70E+00 5.00E+03 1.08E+1