《天梯的演化》 省赛获奖

天体的演化2023/7/2222023/7/2221.星际云2.星云块3.碎裂停止4.形成原恒星5.主序前星6.零龄主序7.主序星小质量恒星演化

2023/7/223主序阶段观测发现，绝大部分恒星在H－R图中的位置落在一条窄带上，这条窄带被称为主序带主序星性质：均匀的化学组成核心氢燃烧，完全流体静力学平衡质量范围：0.08M⊙<M<100M⊙

零龄主序：刚刚开始核心氢燃烧的恒星，在H-R图上占据主序带的最左侧2023/7/224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。演化时标—核反应时标tn＝hDMc2/L

质量大的恒星，演化时标短，较快离开主序阶段2023/7/225主序带：主序星从核心H燃烧开始到结束在H-R图上占据的带状区域演化路径核反应4H→4He

→核区粒子数n减少→Pc=nkT下降→核心收缩Rc→核心区温度Tc上升→光度L增加→包层压力P增加→恒星半径R增大2023/7/226主序后的演化OBAFGKMlow luminosity highWhitedwarfsReddwarfsMainsequenceSuper-giantsGiants当恒星核心区的氢完全耗尽，恒星开始脱离主序。2023/7/2278.亚巨星支核心氢烧完、枯竭，形成氦中心核和氢丰富的外层中心T降低，氦尚没点燃；外壳氢燃烧，中心氦核增大氦核收缩，壳层氢燃烧；体积膨胀，表面温度降低恒星逐渐向右脱离主序2023/7/2282023/7/2299.红巨星支He核进一步收缩,中心温度Tc上升，核区电子简并半径R增大，壳层H燃烧；光度增加，膨胀使得温度下降恒星包层产生对流→HayashiTrack在HR图上向右上方攀升成为红巨星。2023/7/2210氦闪

红巨星支的顶点：核心He开始燃烧→Tc↑(简并时，压力P与温度无关，半径不变,不膨胀)→e↑→Tc↑→...→核心He爆燃(Dt~min,L~1011L⊙)→电子简并解除2023/7/221110.水平分支中心燃烧氦，外层燃烧氢氦闪使得中心氦核简并解除，进入稳定的氦燃烧阶段(氦聚变为碳的3a反应)外壳层继续氢燃烧，温度增加星核膨胀、吸热，光度剧减恒星向左下方移至水平支2023/7/221211.渐进巨星支中心氦耗尽，变成C、O核，核反应停止，开始收缩收缩升高外层压力和温度，核心外层又有一层氦点火氦燃烧壳层外的氢壳层在继续燃烧双壳层产能使得恒星光度大增，外包层膨胀H-R图：恒星向右上方再次攀升成为红超巨星2023/7/22132023/7/2214(a)H—Rdiagramofanoldstarcluster—theglobularclusterM3,(b)Wide-anglephotographshowingM3asitappearsinthenightsky.2023/7/22xkong@152023/7/221612.行星状星云壳层内发生氦闪(不稳定燃烧)恒星外壳层发生脉动(热脉冲)抛射红巨星的包层(25%-60%恒星质量)形成行星状星云+高温简并CO核恒星在HR图上向左方移动2023/7/2217行星状星云(PlanetaryNebulae)低质量恒星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。

通常为环形，年龄不超过~5×104yr。螺旋星云HelixNebula

2023/7/221813.CO核坍缩成白矮星14.白矮星冷却白矮星冷却→黑矮星2023/7/2219STAGE持续时间(yr)中心温度(106K)表面温度(K)中心密度(kg/m3)RADIUSOBJECT(km)R⊙710101560001051051主序星81085040001071063亚巨星支91051004000108107100氦闪10107200500010710610水平分支111042504000108108500AGB1210530010^510101040.01碳核

—300010-171081000PN13—10050,00010101040.01白矮星14—趋于0趋于010101040.01黑矮星2023/7/2220中等质量恒星的演化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，内部温度更高主序寿命更短。演化到RGB时间也非常短。He核不再是简并的，C和更重元素的燃烧可平稳进行2023/7/2221中等质量恒星的演化核心区核反应产生的能量主要以对流的方式向外传递外层中氢和氦电离区存在脉动，多次穿过造父脉动代演化的最终产物可能是碳氧白矮星或发生超新星爆发2023/7/2222大质量恒星演化

M>8M⊙

C燃烧时不会出现剧烈的C闪耀现象中心氦燃烧阶段在HRD上不会打圈星风强，星风造成的物质流失严重星风和内部对流使得大质量星在蓝、红超巨星间往复通过超新星爆发形成中子星或黑洞蓝超巨星黄超巨星红超巨星超新星2023/7/2223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2023/7/22242023/7/2225EvolutionaryStagesofa25M⊙Star

Stage

温度(K)

密度(g/cm3)

持续时间

Hburning

4×107

5

7×106years

Heliumburning

2×108

700

5×105years

Carbonburning

6×108

2×105

600years

Neonburning

1.2×109

4×106

1year

Oxygenburning

1.5×109

107

6months

Siliconburning

2.7×109

3×107

1day

Corecollapse

5.4×109

3×109

1/4second

Corebounce

2.3×1010

4×1014

milliseconds

Explosion

about109

varies

10seconds

2023/7/2226星风引起的质量损失高光度恒星通常有很强的星风，质量损失率～10-6-10-4

M⊙yr-1

如沃尔夫-拉叶(WR)星。演化过程 O型星→蓝超巨星→(红超巨星)→WR星→Ib/Ic型超新星→中子星/黑洞特大质量恒星的演化NebulaM1-67aroundstarWR1242023/7/2227第三章恒星的形成与演化恒星形成恒星结构元素合成恒星演化超新星密近双星2023/7/2228Asupernova(supernovaeorsupernovas)isastellarexplosionthatcreatesanextremelyluminousobject.超新星是某些恒星在演化末期时经历的一种剧烈爆炸

超新星2023/7/2229特征：恒星世界发生最剧烈的活动光度L～107-1010

L⊙，增亮Lf/Li～108

爆发能E～1047-1052ergs(中微子99%，动能1%，可见光辐射占0.01%)膨胀速度v～103-104kms-1

产物：膨胀气壳(超新星遗迹)+致密天体(中子星或黑洞)

2023/7/2230爆发时间(AD)光度极大星等发现者遗迹185?－8中国天文学家RCW86393?－1中国天文学家837?－8?中国天文学家IC4431006－10中/阿天文学家SN10061054－5中/日天文学家CrabNebula1181－1中/日天文学家3C581572－4TychoBraheTycho1604－3KeplerKepler16805?JohnlamsteedCasA1987+2.9IanSheltonSN1987A历史超新星2023/7/2231超新星的分类

光变曲线不同Ⅰ型光变曲线的峰值很“锐”，绝对峰值光度较亮，爆发后变暗时速度缓慢；Ⅱ型光变曲线的峰值稍“钝”一些，绝对峰值光度较暗，爆发后很快变暗2023/7/2232超新星的分类

光谱吸收线不同

I型：没有氢吸收线

Ia型：没有氢、氦吸收线，有硅吸收线Ib型：没有氢吸收线，有氦吸收线Ic型：没有氢、氦、硅吸收线II型：有氢吸收线

2023/7/2233Ia超新星爆发：双星系统中吸积白矮星C爆轰SN爆发机制MechanismforType1ASupernovaExplosions2023/7/2234Ib、Ic和II型超新星爆发：大质量恒星的核坍缩a)核聚变停止，形成铁核；b)核坍缩，核心温度升高；c)铁原子核被光致分解，核心被中子化，产生大量中微子d)中微子流与下落物质作用，形成激波e)激波将外壳驱散,形成超新星爆发；f)形成中子星和超新星遗迹。2023/7/2235Ia超新星爆发：双星系统中吸积白矮星的C爆轰Ib、Ic和II型超新星爆发：大质量恒星的核坍缩SN爆发机制Summary2023/7/22xkong@36

Stars>8-10MwillfuseelementstocreateFecoreCorecollapsesandneutronstarformedBounceofnucleardensityneutronstarinitiatesoutwardshockShockmusthavefurtherenergyinputLikelythiscomesfromneutrinos2023/7/2237Summary

Neutrinoemissionaccountsfor99%ofthegravitationalpotentialenergyofcollapsingcoreExplosionsarelikelyneutrinodrivenTypicalTypeIISNhaveplateauphaseasshockwavemovesthroughstarThenenter“tail-phase”,luminositysourceiuradioactive56NicreatedexplosivelyinSN2023/7/2238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磁场相互作用而形成的气体星云。强射电辐射和高能辐射源(同步加速辐射，激波加热)年龄≤~105yr形态分类：壳层型:辐射主要来自纤维状球形壳层和星际气体的相互作用实心型:没有壳层结构，中央具有致密天体提供能量混合型:辐射来自遗迹整个区域，并由中心的致密星提供能源超新星遗迹(SupernovaRemnants)2023/7/2239密近双星恒星世界中，约一半以上的恒星是双星两个子星相距很远(如d>1000R/r)，可视为单星相距较近，引力相互作用，有物质交换双星密近双星凡一子星影响另一子星演化的物理双星2023/7/2240双星系统双星系统一词是由弗里德里希·赫歇尔在1802所创。根据他的定义，双星系统是由两个星体根据吸引力定律所组成一个系统。物理双星：一颗恒星围绕另外一颗恒星运动，或者两者互相围绕，并且互相有引力作用光学双星:看上去靠的很近，实际上距离很远，并且两颗星之间的重力作用不会对对方产生影响。观测方式不同分类：通过望远镜可以观测到的双星称为目视双星；只有通过分析光谱变化才能辨别的双星称为分光双星。一颗恒星围绕另一颗恒星运动，第三颗恒星又绕他们运动，这称为三合星。依此类推，还有四合星等等，这些都称为聚星。2023/7/2241ThestarCastor,itwasthefirstbinarydiscovered,byHerschellin17902023/7/2242BinarystarsystemsaregovernedbyKepler'slaws.Theneachstarexecutesanellipticalorbitsuchthatatanyinstantthetwostarsareonoppositesidesofthecenterofmass.2023/7/2243mainsequencestar(SiriusA)andwhitedwarfcompanion

2023/7/22442023/7/2245m1r1=m2r2

r1+r2=RModificationofKepler'sThirdLaw(m1+m2)P2=(r1+r2)3=R3

2023/7/22xkong@46洛希瓣－物质交换模型：法国数学家Roche首先提出计算密近双星系统引力势的模型方法：考虑在两个互相绕转的天体的引力势中一个检验粒子的运动基本假设：子星的几何结构是球对称的系统总质量和总角动量守恒质量交换时，损失质量的恒星保持流体静力学平衡，获得质量的之星保持热动平衡2023/7/22xkong@47当r>>a时，等势面是球形，球心在公共质心处。当r

→r