第三篇 太阳和恒星世界(3)恒星形成和演化

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第三篇太阳和恒星世界(3)

——恒星的形成及演化一、恒星的形成恒星形成的理论模型恒星形成的观测证据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（一）恒星形成的理论模型

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。阶段观测天体核心温度(K)表面温度(K)核心密度(cm-3)直径(cm)持续时间(yr)1星际云101010310192×1062云块1001010610173×104(3)团块/原恒星(fragment/protostar) 星云进一步坍缩和分裂，密度上升。 核心区域变得不透明，温度迅速上升。 星云停止分裂，云块开始坍缩。阶段观测天体核心温度(K)表面温度(K)核心密度(cm-3)直径(cm)持续时间(yr)3云块/原恒星10410010121015105(4)原恒星(protostar) 原恒星以Kelvin-Helmhotz时标收缩，温度进一步升高。

阶段观测天体核心温度(K)表面温度(K)核心密度(cm-3)直径(cm)持续时间(yr)4原恒星106300010181013106(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），但内部温度还没有升高到H的点火温度。阶段观测天体核心温度(K)表面温度(K)核心密度(cm-3)直径(cm)持续时间(yr)5主序前星5×106400010221012107(6)零龄主序(zero-agemain-sequencestar) 恒星到达主序，热核反应（H燃烧）开始进行，成为零龄主序恒星。光度约为现在太阳光度的2/3。(7)主序星(main-sequencestar) 恒星略微收缩，达到流体静力学平衡。阶段观测天体核心温度(K)表面温度(K)核心密度(cm-3)直径(cm)持续时间(yr)6零龄主序107450010252×10113×1077主序星1.5×107600010261.5×10111010原恒星质量(M⊙)0.21.05.015.0原恒星演化时间(yr)1093×1077×1066×104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。气体云的收缩原恒星主序前星零龄主序零龄主序云块碎裂、辐射M<MCM>MCMC~3-6M⊙2.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。 激波压缩附近的星云，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。23TriggeredstarformationbyasupernovaexplosionSaturday,May14,20111.恒星形成区和原恒星的观测猎户星云(M42)，位于猎户之剑附近，距离约1000ly。

（二）恒星形成的观测证据光学照片。左下方棒形物是受到中心“梯形恒星”(trapeziumstars)辐射电离而发光的气体。红外照片。在右上方有一个明亮的星云，其中的橙色区域是被恒星星风驱散的氢分子。GasPillarsinM16-EagleNebula

2.原恒星星风 原恒星在吸积过程中有强烈的星风和喷流。 喷流与周围星际介质相互作用的产生赫比格-哈罗（Herbig-Haro）天体。

GasOutflowsfromYoungStarsXZTauri

HH30

二、恒星的演化§1主序星的演化§2恒星主序后的演化主要内容：§1主序星的演化

1.恒星演化的基本原理

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。恒星的一生就是一部和引力斗争的历史！Russell-Vogt原理：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。恒星演化时标(1)核时标(nucleartimescale)

恒星辐射由核心区（约1/10质量）核反应产生的所有能量的时间。

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)

如果恒星的内部压力突然消失，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恒星统计与演化如果相同质量的恒星的演化过程基本相同，在H-R图上恒星的不同类型反映它们处于不同的演化阶段。

如果恒星的诞生率和死亡率一致，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燃烧质量范围:0.08M⊙<M<~100M⊙

质光关系和质量-半径关系 L~

M2.5-4,R~

M0.5-1

主序星的演化(1)零龄主序(zeroagemain-sequencestar,ZAMS)刚刚开始核心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⊙)-2.5forM>M⊙or(1010yr)(M/M⊙)-2forM<M⊙不同质量主序星的演化时标

M(M⊙)30151.00.5tn(yr)2×10610710106×1010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元素丰度逐渐减小，直至枯竭，全部转变成He。§2恒星主序后的演化

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：恒星逐渐向右脱离主序。内部过程：核心H枯竭，体积膨胀。

(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↑StructureofARedGiant红巨星时期的地球(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开始燃烧（Tc～108K）→Tc↑（简并→Rc不变）→ε↑→Tc↑→(..)→核心He爆燃(△t~minutes,

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（不稳定燃烧）→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。低质量恒星的一生螺旋星云HelixNebula

RingNebula哑铃星云DumbbellNebulaCat'sEyeNebula

沙漏星云蝴蝶星云TheEskimoNebula

在银河系一个高度变形的超新星残体中，可能隐藏着宇宙中最年轻的黑洞。该超新星残体名为W49B，约有1000年历史，距离地球大约2.6万光年（2013年3月）。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别恒星内部的H燃烧通过CNO循环进行，内部温度更高，辐射压对维持恒星的力学平衡起更大的作用，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。

在H-R图上演化轨迹恒星内部物理过程1.恒星向右方移动成为红超巨星。核心H枯竭（He核）→壳层H燃烧。2.恒星向左方移动。核心He平稳燃烧→Rc↑→R↓→T↑3.恒星向右上方攀升至红超巨星。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(2)中等质量（M＝5M⊙）恒星的演化中等质量恒星的演化(3)高质量恒星的演化演化表现：O型星→蓝超巨星→黄超巨星→红超巨星→超新星恒星内部物理过程：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AMassiveStaratTheEndofItsLife核坍缩与超新星爆发核心核反应停止Rc↓Tc↑Fe核光致离解4He光致离解e-+p→n+νe能量损失→Pe↓Rc↓→Tc↑星核坍缩当ρc=ρnu，核坍缩停止→激波反弹→壳层抛射→II型超新星爆发→中子星TypeIIsupernovaeEtaCarinaMonday,April18,2011105高质量恒星的一生爆发机制：Ia超新星爆发：双星系统中，吸积白矮星中的C爆燃。Ib/Ic,II型超新星爆发：大质量恒星的核坍缩。(4)超新星(supernovae)和超新星遗迹(supernovaremnants)1054年,超新星AD1054、蟹状星云Crabnebula和脉冲星

超新星1987A1987.2.23爆发于LMC(d=170,000ly)，是人类自望远镜发明以来第一颗凭肉眼发现的超新星。前身星：Sanduleak--69°202，B3I型蓝超巨星M~20M⊙，L~105

L⊙，T~16,000K