恒星结构及变化

1、 世界上有两件东西能够深深世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们地震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件是心中崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空。我们头顶上灿烂的星空。 - 康德康德 程福臻程福臻中国科学技术大学天体物理中心中国科学技术大学天体物理中心2009.12.8一一. . 恒星在天体物理学中的作用恒星在天体物理学中的作用二二. . 观测事实观测事实三三. . 太阳的结构图太阳的结构图四四. . 恒星结构的基本方程组恒星结构的基本方程组五五. . 恒星中的核合成恒星中的核合成六六. . 恒星的演化恒星的演化七七. . 恒星演化的观测证据恒星演化的观测

2、证据 一一 . .恒星在天体物理学中的作用恒星在天体物理学中的作用 引力引力 宇宙宇宙 宇宙学宇宙学 星系星系 星团星团 年龄和组成年龄和组成 提供能量提供能量恒星恒星 核反应核反应 恒星演化恒星演化 合成元素合成元素 陨星学陨星学 太阳系的形成太阳系的形成 大气层大气层 气候气候 磁层磁层 太阳太阳 太阳风太阳风 行星际介质行星际介质 转动的制动转动的制动 电磁辐射电磁辐射 生命生命 恒星对于宇宙恒星对于宇宙就像就像原子对于物质原子对于物质二二. . 观测事实观测事实1.1.1.恒星分类恒星分类恒星分类恒星分类恒星分类恒星分类2.2.2.赫罗图赫罗图赫罗图赫罗图赫罗图赫罗图3.3.3.距离距

3、离距离距离距离距离4.4.4.温度温度温度温度温度温度5.5.5.半径半径半径半径半径半径6.6.6.质量质量质量质量质量质量1. 恒星分类恒星分类哈佛分类法哈佛分类法(对应恒星大气的平均温度对应恒星大气的平均温度) TiO ZrO (3.0 x103-2.0 x103K) S 红红极热兰极热兰 C线线 热兰热兰 兰白兰白 白白 白黄白黄 黄黄 桔桔 红红 WC (4x104-2.5x104K) (1.15x104-7.7x103K) (6.0 x103-5.0 x103K) (3.6x103-2.6x103K) WN O B A F G K M N线线 (2.5x104-1.2x104K)

4、(7.6x103-6.1x103K) (4.9x103-3.7x103K)（6x104K) 早型早型 中型中型 晚型晚型 红红 红红 次型次型 B0, B1-B9, (几乎连续变化）几乎连续变化） R N dG5 矮星矮星 (5.0 x103-4.0 x103K) (3.0 x103-2.0 x103K) gG2 巨星巨星 碳星（碳星（C CN) cB1 超星超星 吸收带强吸收带强 吸收带弱吸收带弱 Be 有发射线有发射线2. 赫罗图赫罗图 1913年美国天文学家赫茨普年美国天文学家赫茨普龙、罗素各自独立绘出亮星的光龙、罗素各自独立绘出亮星的光度度温度图，发现大多数恒星分温度图，发现大多数恒星

5、分布在图中左上方至右下方的一条布在图中左上方至右下方的一条狭长带内，从高温到低温的恒星狭长带内，从高温到低温的恒星形成一个明显的序列，称为形成一个明显的序列，称为“主主星序星序”。为了纪念两位科学家作。为了纪念两位科学家作出的贡献，人们称这种图为赫出的贡献，人们称这种图为赫罗图罗图(HR-diagram)。 该图显示出恒星的光度和表面该图显示出恒星的光度和表面温度随时间变化的情形，温度随时间变化的情形，横坐标横坐标是恒星的光谱型，按照是恒星的光谱型，按照O、B、A、F、G、K、M顺序排列，是恒顺序排列，是恒星的温度序列。纵坐标是绝对星星的温度序列。纵坐标是绝对星即恒星光度即恒星光度。等，等，赫

6、罗图赫罗图光度与温度光度与温度关系。关系。虚线与箭头虚线与箭头标出了所预标出了所预言的太阳演言的太阳演化曲线化曲线3. 距离距离 距离范围距离范围太阳系（太阳系（40AU)邻近恒星（邻近恒星（107.T107.T109 9 9K K K 中微子（能量损失）中微子（能量损失）中微子（能量损失）中微子（能量损失）中微子（能量损失）中微子（能量损失）677 101.5 10TKTKTK71.5 10882 1010KTK87 10TK91.5 10TK92 10TK93 10TK氢燃烧氢燃烧 温度大约为温度大约为107K PP Chain11221333412HHDevDHHeHeHeHeH3477

7、77144HeHeBeBeeLiLiHHeHe71888842BeHBBBeevBeHe恒星中的核合成oror氢燃烧氢燃烧 PPI PPII +PPIII PPII PPIII 10 15 23 T6 CNO Bi-cycle PP Chain 15 18 20 T6 T （ ， ，）恒星中的核合成e燃烧燃烧 过程过程当当 时才有可能时才有可能足够的足够的C12生成后可能发生生成后可能发生超过超过Ne20的几率很小的几率很小30.03HeMM4488412HeHeBeBeHeC1241616420CHeOOHeNe恒星中的核合成C燃烧燃烧MC 时才有可能时才有可能此时温度大约为此时温度大约为6

8、x108K13.931Mev2.238Mev4.416Mev-2.605Mev 吸热吸热-0.114Mev0.8M242312122023162MgNapCCNeMgnO恒星中的核合成O16燃烧燃烧MC 此时温度大约此时温度大约3x109K重元素起源重元素起源1.4M323116163128242 SPpOOSnSiMg恒星中的核合成中微子能量损失中微子能量损失温度大于温度大于109 K,各种复杂反应出现各种复杂反应出现eeeevveevvvv光子中微子过程 电子对湮灭中微子过程 等离子体中微子过程 恒星中的核合成六六. . 恒星的演化恒星的演化 根据弥漫说的理论，根据弥漫说的理论，恒星形成恒

9、星形成可分为两个阶段，开始时先由极其可分为两个阶段，开始时先由极其稀薄的物质凝聚成星云并进一步收稀薄的物质凝聚成星云并进一步收缩成原恒星，然后原恒星才发展成缩成原恒星，然后原恒星才发展成为恒星。为恒星。 原恒星在引力作用下收缩时，原恒星在引力作用下收缩时，将变得越来越密，当中心区温度达将变得越来越密，当中心区温度达到氢点火，便达到主星序。具体停到氢点火，便达到主星序。具体停留在主星序的什么位置，决定于原留在主星序的什么位置，决定于原恒星的初始质量。大质量的原恒星恒星的初始质量。大质量的原恒星将停留在主星序的上部，较小质量将停留在主星序的上部，较小质量的则停在较下部分（的则停在较下部分（赫罗图赫

10、罗图）。而）。而对于质量小于对于质量小于0.080.08个太阳质量个太阳质量的天的天体由于靠自身引力不能压缩它的中体由于靠自身引力不能压缩它的中心达到足够高的温度，从而使氢点心达到足够高的温度，从而使氢点火，因而它们不能成为恒星。火，因而它们不能成为恒星。 星际气体星际气体 冷却和引力不稳定冷却和引力不稳定 原恒星原恒星 主序星主序星 热核反应（热核反应（H He) 平稳抛平稳抛 红巨星红巨星 元素合成及中微子产生元素合成及中微子产生 射物质射物质 轻恒星轻恒星 爆发性爆发性 重恒星重恒星 抛射物质抛射物质 超新星爆发超新星爆发 白矮星白矮星 弥散到星际空间弥散到星际空间 中子星中子星 黑洞黑

11、洞重元素丰度增加重元素丰度增加 恒星演化进程图恒星演化进程图因此有必要对不同质量的恒星分别讨论。因此有必要对不同质量的恒星分别讨论。根据恒星的质量可分成三类根据恒星的质量可分成三类小质量恒星小质量恒星中等质量恒星中等质量恒星大质量恒星大质量恒星 需要指出的是这三类恒星的界线并不是十分严格的，这是因为其它因素需要指出的是这三类恒星的界线并不是十分严格的，这是因为其它因素也会对恒星的演化起到十分重要的影响也会对恒星的演化起到十分重要的影响。 恒星演化按恒星演化按初始质量初始质量的分类的分类质量（质量（ ） 最终阶段最终阶段 主要现象主要现象0.08以下以下 氢褐矮星氢褐矮星 氢未燃烧氢未燃烧0.0

12、80.5 氦白矮星氦白矮星 氦未燃烧氦未燃烧0.51.0 碳白矮星碳白矮星 碳未燃烧碳未燃烧1.0-3.0 碳氧白矮星碳氧白矮星 红巨星、损失能量，较轻的星红巨星、损失能量，较轻的星3-8 爆发爆发 碳爆发燃烧型超新星碳爆发燃烧型超新星8-30 中子星中子星 中心铁核，超新星爆发中心铁核，超新星爆发30-100 黑洞黑洞 坍缩为黑洞坍缩为黑洞0.082.3MMM2.38MMM8MMM1.小质量恒星的演化小质量恒星的演化1.对于对于 小质量恒星在赫罗图上的演化小质量恒星在赫罗图上的演化 (5) (4) (3) (2) (1) (6) 白矮星白矮星(1)主序星主序星(2)向红巨星演化向红巨星演化(

13、3)氦闪氦闪(4)水平分枝水平分枝(5)渐近巨星分枝渐近巨星分枝AGB 向红超巨星演化向红超巨星演化有效温度有效温度Te光光度度L0.52.3MMM行星状星云行星状星云 (planetary nebulae)低质量恒星低质量恒星在死亡时抛出的气体包层，受到中在死亡时抛出的气体包层，受到中心高温白矮星的辐射电离而发光心高温白矮星的辐射电离而发光 通常为环形，年龄不超过通常为环形，年龄不超过5104 yr螺旋星云螺旋星云 Helix Nebula Ring Nebula 哑铃星云哑铃星云Dumbbell Nebula Cats Eye Nebula 沙漏星云沙漏星云蝴蝶星云蝴蝶星云2.中等质量恒星

14、的演化中等质量恒星的演化以以5 的星为例说明中等质量星由主序开始的演化情况的星为例说明中等质量星由主序开始的演化情况MA 主序阶段主序阶段BC赫罗图空隙区DEFGHKLMeLgT/LgL L氦燃烧阶段造父脉动带AGB阶段演化表现 ：O型星蓝超巨星黄超巨星红超巨星超新星 3.大质量恒星的演化大质量恒星的演化大质量恒星的一生大质量恒星的一生恒星初始质量 (M)演化结局 0.01行星0.01 M 0.08褐矮星0.08 M 0.25He白矮星0.25 M 8CO白矮星?8 M 12ONeMg白矮星?12 M 40超新星黑洞?不同质量恒星的演化结局不同质量恒星的演化结局超新星超新星 分类：分类：I型型

15、（Ia, Ib/Ic）无无H线；线； II型型有有H线线. 光变曲线不同光变曲线不同 爆发机制：爆发机制： Ia超新星超新星爆发：爆发：双星系统中双星系统中，吸积白矮星坍缩和，吸积白矮星坍缩和C爆燃爆燃 Ib/Ic, II型超新星型超新星爆发：爆发：大质量恒星大质量恒星的核坍缩的核坍缩 超新星超新星1987A1987.2.23爆发于爆发于LMC (d = 170,000 ly)，是人类自是人类自望远镜发明以来第一颗凭望远镜发明以来第一颗凭肉眼发现的超新星肉眼发现的超新星前身星：前身星： Sanduleak 69202，B3 I I型型蓝蓝超超巨星巨星M 20 M ，L 105 L ，T 16,

16、000 K，R 31012 cm超新星超新星1987A的光变曲线的光变曲线在爆发前在爆发前1.8-3小时，小时，日本日本Kamioka和美和美国国IMB的的探测仪的的探测仪测量到测量到19个中微子个中微子超新星超新星1987A的中微子探测的中微子探测超新星爆发的大部分能量被超新星爆发的大部分能量被中微子中微子带走带走 中微子辐射能中微子辐射能51053 ergs 辐射辐射51058个中微子个中微子 爆发前爆发前20小时地球上每小时地球上每m2有有51014个中微子穿过个中微子穿过超新星超新星1987A的遗留物：的遗留物：环环状星云状星云环状星云的结构环状星云的结构超新星遗迹超新星遗迹超新星爆发

17、抛出的大量物质在向外膨胀过程中超新星爆发抛出的大量物质在向外膨胀过程中与星际物质和与星际物质和磁场磁场相互作用相互作用而形成的而形成的气体星云气体星云 强射电辐射和高能辐射源（同步加速辐射，激强射电辐射和高能辐射源（同步加速辐射，激波加热）波加热）年龄年龄 105 yr 形态分类：形态分类：壳层型壳层型（辐射主要来自纤维状的球形壳层和星（辐射主要来自纤维状的球形壳层和星际气体的相互作用）际气体的相互作用）混合型混合型（辐射来自遗迹整个区域，并且由中心（辐射来自遗迹整个区域，并且由中心的脉冲星提供能源）的脉冲星提供能源）蟹状星云蟹状星云典型的超新星遗迹典型的超新星遗迹Tycho Nebula 天

18、鹅圈天鹅圈 Cygnus LoopPuppis A 船尾座船尾座 A 脉冲星脉冲星中子星中子星的形成的形成 当电子处于简并态时，由于当电子处于简并态时，由于Pauli 不相容原理不相容原理 造成简并压，可以对抗引力，形成白矮星；造成简并压，可以对抗引力，形成白矮星； 当白矮星的质量大于当白矮星的质量大于2倍倍太阳质量太阳质量 p + e- n +e 电子数减少电子数减少 电子简并压降低电子简并压降低 加速核心坍缩加速核心坍缩 中子数增加中子数增加 原子核结合能降低原子核结合能降低当当n= 41011 gcm-3, 中子从原子核中滴出中子从原子核中滴出当当n= 1014 gcm-3, 原子核瓦解

19、，形成中子海洋原子核瓦解，形成中子海洋 ， 中子的简并压可以对抗引力，形成中子星。中子的简并压可以对抗引力，形成中子星。中子星的结构中子星的结构特征质量特征质量M 1.4 M , 半径半径R 10 km由外向内依次为：由外向内依次为：表层大气表层大气 cm外壳外壳 1 km, 固态金属（固态金属（Fe, e-）内部：超流中子和超导质内部：超流中子和超导质子子核心：超子核心：超子/奇异物质？奇异物质？壳层超流中子核心中子星中子星的质量上限的质量上限 质量半径关系：中子星质量半径关系：中子星的质量越大，半径越小的质量越大，半径越小质量上限：质量上限：Oppenheimer极限质量：极限质量：2-3

20、 M 质量大于质量大于3 M 的中子星，的中子星，其中子简并压也顶不住引其中子简并压也顶不住引力的塌缩，最终形成力的塌缩，最终形成黑洞黑洞。 射电脉冲星射电脉冲星 发现发现 1967年年Jocelyn Bell 利用利用A. Hewish领导研制领导研制的射电望远镜发现了第一颗射电脉冲星的射电望远镜发现了第一颗射电脉冲星PSR 1919+21 脉冲周期脉冲周期P1.3373 sec射电脉冲星的物理模型射电脉冲星的物理模型射电脉冲星射电脉冲星中子星中子星 射电脉冲星射电脉冲星倾斜倾斜自转磁中子星自转磁中子星 七七. .恒星演化的观测证据恒星演化的观测证据 星团星团(star cluster)及其

21、及其H-R图图 恒星在天空中的分布有聚集成团的现象恒星在天空中的分布有聚集成团的现象形态不规则大小6-50 ly质量102-103 M恒星密度0.1-10 M ly-3 /010-50空间分布银道面附近Z 200 pc成员星年轻、中等年龄恒星昴星团（昴星团（Pleiades）疏散星团疏散星团 (open clusters)形态球形或扁球形大小60-300 ly质量104-107 M恒星密度1-100 M ly-3 /050-103空间分布以银心为球心的球状分布，d 35 kpc成员星年老的、贫金属恒星Omega Centauri 球状星团球状星团 (globular clusters)星团的星团的H-R图图昴星团（昴星团（Pleiades）