第三篇太阳和恒星世界教案

文档编码:CQ9Q8N8T8H8——HU3R5T6R10N9——ZI1V6O3F6G2第三篇太阳和恒星世界第三讲 恒星的形成及演化本讲主要内容：

§1.恒星的形成

§2.恒星的演化

§3.恒星的死亡：行星状星云和超新星

一、恒星的形成1.恒星形成

恒星形成于星系旋臂上巨大的、冷的致密星际云；

星云的坍缩造成恒星成群形成；星云坍缩、分裂、加热→原恒星→主序星 低质量恒星的形成过程

〔1〕星际云 〔interstellarcloud〕

星云坍缩,并分裂成小云块；〔2〕星云团块 〔cloudfragment〕

星云仍特别淡薄,热量可以不受阻碍地散逸,星云内的温度没有明显上升 ；〔3〕团块/原恒星 〔fragment/protostar〕

星云进一步坍缩和分裂,密度上升；核心区域变得不透亮,温度快速上升；星云停止分裂,云块开头坍缩；〔4〕原恒星 〔protostar〕原恒星以Kelvin-Helmhotz时标收缩,温度进一步上升；〔5〕主序前星 〔pre-main-sequencestar〕原恒星向主序演化成为主序前星 （金牛座T型星）,但内部温度仍没有上升到 H的点火温度；〔6〕零龄主序 〔zero-agemain-sequencestar〕 恒星到达主序,热核反应（光度的2/3；H燃烧）开头进行,成为零龄主序恒星；光度约为现在太阳〔7〕主序星 〔main-sequencestar〕恒星略微收缩,达到流体静力学平稳；具有不同质量恒星的形成不同质量的恒星在形成过程中,在H-R图上沿不同的路径演化；质量越高的恒星,其原恒星演化到主序的时间越短,在主序上的位置越高；原恒星质量〔M⊙〕0.21.05.015.0原恒星演化时间〔yr〕1093×1077×1066×1042.星云坍缩的触发机制激波压缩超新星爆发、热星辐射或银河系旋臂转动等过程产生激波；激波压缩邻近的星云,使其密度增大,触发恒星的形成；恒星形成过程可能类似于链式反应；3.恒星形成的观测证据（1）.恒星形成区和原恒星的观测猎户星云〔M42〕,位于猎户之剑邻近,距离约1000ly；〔2〕.原恒星星风原恒星在吸积过程中有猛烈的星风和喷流；喷流与四周星际介质相互作用的产生赫比格二、恒星的演化

§1主序星的演化

1.恒星演化的基本原理-哈罗（Herbig-Haro）天体； 恒星在一生的演化中总是试图处于稳固状态（流体静力学平稳和热平稳） ；当恒星无法产生足够多的能量时,它们就无法保护热平稳和流体静力学平稳,于是开头演化； Russell-Vogt原理：假如恒星处于流体静力学平稳和热平稳,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独地由初始质量和化学丰度准备；恒星的一生就是一部和引力斗争的历史！

恒星演化时标〔1〕核时标 〔nucleartimescale〕恒星辐射由核心区（约 1/10质量）核反应产生的全部能量的时间； tn=E/L=△Mc2/L≈〔1010yr〕〔M/M⊙〕〔L/L⊙〕-1

〔2〕热时标 〔thermaltimescale〕

恒星辐射自身热能的时间,或光子从恒星内部到达表面的时间； tth＝〔0.5GM2/R〕/L≈〔2×107yr〕〔M/M⊙〕2〔R/R⊙〕-1〔L/L⊙〕-1〔3〕动力学时标 〔dynamicaltimescale〕

假如恒星的内部压力突然消逝,在引力作用下恒星坍缩的时间； td＝R/V≈〔27min〕〔R/R⊙〕3/2〔M/M⊙〕-1/2

恒星统计与演化假如相同质量的恒星的演化过程基本相同,在于不同的演化阶段；H-R图上恒星的不同类型反映它们处假如恒星的产生率和死亡率一样,在 H-R图上某一类恒星数目的多少就反映了恒星在该演化阶段所停留时间的长短；2.主序星的演化主序星的性质. 均匀的化学组成. 核心H燃烧. 质量范畴:0.08M⊙<M<~100M⊙. 质光关系和质量 -半径关系L~M2.5-4, R~M0.5-1〔1〕零龄主序 〔zeroagemain-sequencestar,ZAMS〕刚刚开头核心 H燃烧的恒星,在 H-R图上占据主序带的最右侧；〔2〕演化时标 ——核反应 〔41H→4He+γ〕时标tn＝η△Mc2/L≈〔1010yr〕〔M/M⊙〕〔L/L⊙〕-1≈〔1010yr〕〔M/M⊙〕-2.5 forM>M⊙or〔1010yr〕〔M/M⊙〕-2 forM<M⊙主序星的内部化学组成的变化随着核反应的进行,核心区的 H元素丰度逐步减小,直至枯竭,全部转变成 He；§2 恒星主序后的演化1. 低质量 〔M<2.25M⊙〕恒星的演化

M＝1M⊙恒星

〔1〕脱离主序——亚巨星支 〔subgiantbranch〕

H-R图：恒星逐步向右脱离主序；H枯竭,体积膨胀；内部过程：核心〔2〕红巨星支 〔redgiantbranch〕

H-R图：恒星向右上方攀升成为红巨星；内部过程：核心 H枯竭

→Rc↓

→Tc↑ 核区电子简并

→壳层H燃烧

→R↑→T↓

→在恒星包层,对流传递能量

→L↑〔3〕He闪〔Heliumflash〕

H-R图：恒星攀升到红巨星支的顶点；内部过程：

核心He开头燃烧（Tc～108K）

→Tc↑（简并→ Rc不变）

→ε↑→Tc↑→〔..〕

〔△t~minutes,→核心He爆燃 L~1011L⊙〕

→电子简并解除〔4〕水平支 〔horizontalranch〕

H-R图：恒星向左下方移动至水平支

内部过程：

核心He（壳层H）燃烧

→Rc↑

→Tc↓

→R↓

→T↑〔5〕渐进巨星支 〔asymptoticgiantbranch〕

H-R图：恒星向右上方再次攀升成为红超巨星

内部过程：

核心He枯竭（CO核）

→Rc↓

→Tc↑

→壳层He和H燃烧

→L↑ R↑ T↓

热脉冲 〔thermalpulses〕H-R图：恒星移至渐进巨星支顶点；

内部过程：壳层He闪（不稳固燃烧）→恒星脉动（热脉冲）→抛射红巨星的包层（ 25%-60%质量）→行星状星云 +高温简并CO核心〔6〕行星状星云的 CO核心坍缩成白矮星H-R图：恒星向左方移动；内部过程：核心收缩→T↑行星状星云向外弥散〔7〕白矮星冷却H-R图：恒星向右下方移动；内部过程：白矮星冷却→黑矮星；2．较高质量 〔M>2.25M⊙〕恒星的演化〔1〕与低质量恒星演化的主要区分恒星内部的 H燃烧通过CNO循环进行,内部温度更高,辐射压对保护恒星的力学平稳起更大的作用,主序寿命更短；He核不再是简并的,C和更重元素的燃烧可以进行； 核心区核反应产生的能量主要以对流的方式向外传递；〔2〕中等质量（M＝5M⊙）恒星的演化在H-R图上演化轨迹恒星内部物理过程H燃烧；1.恒星向右方移动成为红超巨星；核心H枯竭（He核）→壳层2.恒星向左方移动；3.恒星向右上方攀升至红超巨星；核心He平稳燃烧→Rc↑→R↓→T↑核心He枯竭（CO核）

→壳层He和H燃烧 →R↑→T↓4.恒星向左方移动,然后折向右下方 红超巨星 〔热脉冲、超星风 〕→行星状星云 +高温简并CO核CO核坍缩→高温白矮星白矮星冷却→黑矮星〔3〕高质量恒星的演化恒星内部物理过程 ：核心H枯竭→壳层 H燃烧→核心He燃烧→核心 He