恒星的基本知识

恒星的基本知识1第1页，课件共41页，创作于2023年2月恒星在整个天体物理研究中所处的地位Whydowestudystars?Starstothecosmologyislikeasatomsinphysics.Tounderstandthewholeuniverse,itiscrucialtounderstandstars.Stars,inparticularlytheSun,playsacrucialroleinourlives2第2页，课件共41页，创作于2023年2月什么是恒星？恒星：由炽热气体组成的、能自身发光的球状或类球状天体。Astarcanbedefinedasabodythatsatisfiestwoconditions:(a)itisboundbyself-gravity;(b)itradiatesenergysuppliedbyaninternalsource.3第3页，课件共41页，创作于2023年2月典型的恒星参数范围参数太阳恒星半径R⊙=7×108m10−2−102

R⊙

质量M⊙=2×1030kg10−1−102M⊙优秀温度（Teff）Teff,⊙=5770K103−105K光亮度（Luminosity）L⊙=3.8×1026W10−5−106

L⊙

化学成分Z⊙=0.02~10−3−5Z⊙

4第4页，课件共41页，创作于2023年2月太阳是及其普通的一颗恒星

太阳在我们的生命中扮演着非常关键的角色:核反应

能量+气候(季节)

生活;合成元素(C,O,N)

在空气中和我们人类的身体里都可以找到5第5页，课件共41页，创作于2023年2月1恒星的光度InverseSquareLawofLight光度L(luminosity)：单位时间内辐射的总能量，是恒星的固有量(总的辐射功率)。

亮度F(brightness)：在地球上单位时间单位面积接收到的恒星的辐射量。

L=4pR2F, F

LR-2视亮度的大小取决于三个因素：天体的光度天体离我们的距离星际物质对辐射的吸收和散射

6第6页，课件共41页，创作于2023年2月

视星等m(apparentmagnitude)定义古希腊天文学家Hipparcos(喜帕恰斯)在公元前150年左右首先创立的表征恒星亮度的系统（1等星-6等星）。星等值越大，视亮度越低。天文学家在此基础上建立了星等系统。星等差1等，其亮度差2.512倍，星等相差5等的天体亮度相差100倍。星等分别为m1和m2的恒星亮度之比为：F1/F2=10-0.4(m1-m2)

。7第7页，课件共41页，创作于2023年2月-26.8-12.5-4.4-1.561830Hubble,KeckLimit8第8页，课件共41页，创作于2023年2月1）有效温度(TheEffectiveStellarTemperature)恒星的光球辐射近似可看为绝对黑体辐射，利用Stefan-Boltzmann公式确定的温度为恒星的有效温度。单位面积黑体辐射的功率F＝σT4

总的黑体辐射的功率L

=4pR

2

σT

4

其中Stefan-Boltzmann常数

σ＝5.67×10-5ergcm-2s-1K-4

9第9页，课件共41页，创作于2023年2月Oh,BeAFineGuy(Girl),KissMe!按照恒星光谱中最为明显的吸收线的类型（物理原因），通常把恒星划分为7种主要的光谱类型。早型星晚型星中型星恒星的光谱型10第10页，课件共41页，创作于2023年2月光谱型

表面温度(K)

颜色

特征谱线

O>25,000蓝紫强电离He线，重元素多次电离线，无氢线。B11,000~25,000蓝白中性He线，重元素一次电离线，很弱的H线A7,500~11,000白强H线，重元素一次电离线（如Ca+

）F6,000~7,000黄白重元素一次电离线，弱H线和中性金属线G5,000~6,000黄强重元素一次电离线，中性金属线K3,500~5,000红橙强中性金属线，重元素一次电离线M<3500红强分子带，中性金属线，无氢线每一种光谱型可以继续分为0-9十个次型。数字越小温度越高。太阳的光谱型为G2。11第11页，课件共41页，创作于2023年2月恒星质量变化范围不太大，绝大多数恒星的质量在0.1M⊙到120M⊙之间。质量太大（>60M⊙）的恒星动力学不稳定，质量太小（<0.08M⊙）的恒星无法点燃氢燃烧。恒星的质量分布12第12页，课件共41页，创作于2023年2月根据体积的大小可以把恒星分成以下几类：超巨星：R~100-1000R⊙巨星：R~10-100R⊙矮星：R~R⊙中子星：R~10－5R⊙唯一准确知道的恒星半径是太阳半径：(6.9598

0.0007)

105km恒星的分类(按体积)(大角星)(织女星)(木星)(五车二)(鲸鱼星)参宿四(猎户座a星)13第13页，课件共41页，创作于2023年2月§1.2赫罗图为什么想到要做赫罗图？由观测能够确定出的恒星的两个最基本的内禀性质为恒星的光度L

和恒星的有效温度。由黑体谱所满足的Stefan-Boltzmann定律有 L=4pR2sT

4

因为恒星的寿命远远大于人类一生的寿命，人们也不得不从大量的恒星样品中进行统计分析，给出恒星演化的某些重要信息。14第14页，课件共41页，创作于2023年2月丹麦天文学家E.Hertzsprung(赫茨普伦)和美国天文学家H.R.Russell(罗素)创制了恒星光度-温度分布图。LT恒星的分布？赫罗图的横坐标也可用恒星的光谱型、色指数；纵坐标也可用恒星的绝对星等表示。EjnarHertzsprung(1873-1967)HenryNorrisRussell(1877-1957)15第15页，课件共41页，创作于2023年2月恒星在赫罗图上的分布特征主序星白矮星红巨星蓝超巨星太阳附近：90%主序星9%白矮星1%红巨星16第16页，课件共41页，创作于2023年2月赫罗图上的等半径线（L=4pR2sT

4

）M－M⊙＝－2.5log(L/L⊙)＝－5log(R/R⊙)－10log(T/T⊙)即log(R/R⊙)＝8.47－0.2M－2logT

超巨星 巨星 半径R

主序星 白矮星17第17页，课件共41页，创作于2023年2月恒星的性质，尤其是恒星的光度和表面温度，非常强地依赖于恒星的质量，H-R图中不同位置的点对应着不同质量的恒星。高质量的恒星明亮且高温，位于主序带的上部。低质量的恒星黯淡且低温，位于主序带的下部。对赫罗图的解释H-R图中不同位置的点对应着不同年龄的恒星。质量越大的恒星寿命越短，越早脱离主序。18第18页，课件共41页，创作于2023年2月恒星在赫罗图上的演化

恒星的一生就是一部和引力斗争的历史！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。19第19页，课件共41页，创作于2023年2月恒星演化通常要经历：核心氢燃烧的主序星阶段(MainSequence

)核心氢燃烧枯竭后的红巨星阶段(RedGiantBranch

)核心氦燃烧枯竭后的渐进巨星支阶段(AsymptoticGiantBranch)热脉冲形成行星状星云和白矮星；或者进入碳主序大质量恒星形成洋葱结构经历氦闪或不经历氦闪进入核心氦燃烧的水平支阶段(HecoreflashandHorizontalBranch)20第20页，课件共41页，创作于2023年2月主序星（MainSequence

）从赫罗图可以看出，绝大多数恒星位于从左上方到右下方的对角线窄带内，这条带常称为主星序，其中的恒星称为主序星，它们占恒星总数的（80-90）%。太阳便处在主序带上。21第21页，课件共41页，创作于2023年2月以氢燃烧（即41H→4He+26.73MeV，的热核反应序列）为其主要的能量来源，较长期地稳定在主星序附近。太阳内部每秒都有7750万吨的氢在这种核爆炸过程中转化为氦。热核反应的条件是什么？热核聚变反应是否为自然界中最有效的产能方式？22第22页，课件共41页，创作于2023年2月碳氮氧循环(CNOcycle)主序星内部氢的热核反应具体又分为两种质子一质子反应链（p-p链）平稳核燃烧23第23页，课件共41页，创作于2023年2月恒星内部的核反应速率对温度十分敏感，因库仑位垒的关系CNO需要更高温。1.1M⊙pp链与CNO循环核反应的比较24第24页，课件共41页，创作于2023年2月大约在1.1~1.3

M⊙

处可将主序分为上半主序与下半主序，它们的性质截然不同：存在着所谓的“表面对流区”，质量愈小的恒星表面对流区向内延伸得愈深。由于小质量恒星氢燃烧速度较为缓慢，它们停留在主序（氢燃烧）的寿命也很长，而且质量愈小，主序寿命愈长。下半主序星(Lowermainsequencestars)的质量较小，光度较低，质光关系大致为L

M

2，表面温度较低(Te≤6000K)，其中心温度也较低(＜2.0×107K)，氢燃烧以pp链为主。除了质量非常小的恒星外，它们核心区处于辐射平衡状态，即不出现对流核心。但它们表面层（光球）下面却25第25页，课件共41页，创作于2023年2月上半主序星(Uppermainsequencestars)的质量较大，光度很高，质光关系大致为L

m4，表面温度大多数都超过1万度，而中心温度高达两、三千万度以上，核心氢燃烧是所谓的CNO循环反应链为主的氢燃烧核反应序列。这些大质量恒星的热核燃烧核心处于大规模的对流状态，但都没有表面对流。由于CNO循环热核燃烧的速率远高于p-p链，因而上半主序星的主序寿命相当短。26第26页，课件共41页，创作于2023年2月不同质量的恒星在主序时结构不一样M<0.3M

⊙RedDwarfStars

LowermainsequencestarsUppermainsequencestarsCNO循环为主P-P链为主27第27页，课件共41页，创作于2023年2月不同质量的恒星在主序的寿命不一样。tnuc

(1010yr)(M/M⊙)(L/L⊙)-1恒星辐射掉由核心区核反应产生的所有能量的时间，即恒星消耗掉核心区域核反应燃料而离开主序阶段的时间其中

为HHe的产能效率~0.7%。qSC为能够提供核反应的燃料在恒星总质量中所占的比例，~10%。由此可给出核反应的时标显然恒星的质量越大，在主序阶段的寿命越短。28第28页，课件共41页，创作于2023年2月不同质量主序星的演化时标M(M⊙)30151.00.5tnuc(yr)2×10610710106×1010MoremassMorePandTFasterfusionShorterlifeLessmassLessPandTSlowerfusionLongerlifeTherelationgoesas:Witht

=1010yrs,MSlifefortheSun问大质量、高光度的O、B型星在主序阶段只可以停留几百万到几千万年，而低光度、小质量的K、M型星则可停留几千亿或几万亿年的原因是什么？29第29页，课件共41页，创作于2023年2月(1)亚巨星支(2)红巨星支(3)He闪(4)水平支(5)渐进巨星支(6)行星状星云与白矮星在此以1M⊙恒星的演化为例。演化阶段可以分为低质量(M<2.25M⊙)恒星的演化例30第30页，课件共41页，创作于2023年2月4He+4He

8Be+g8Be+4He

12C+g8Be是非常不稳定的同位素，分裂成两个4He的时标仅为10-12s。31第31页，课件共41页，创作于2023年2月白矮星(whitedwarf)白矮星比通常的恒星要小很多，质量与太阳差不多，大小与地球比较接近。其物态组分与理想气体完全不一样，靠电子的简并压力抗拒引力的作用，来维持天体的结构。32第32页，课件共41页，创作于2023年2月行星状星云(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~5×104

yr。注意：行星状星云与行星没有联系，与发射星云也没有联系。SpirographnebulaRingNebulaCat’sEyeNebula33第33页，课件共41页，创作于2023年2月低质量恒星的演化请哪位同学复述下抵质量恒星的演化。34第34页，课件共41页，创作于2023年2月中小质量恒星的演化不经历氦闪35第35页，课件共41页，创作于2023年2月演化的结果：行星状星云+白矮星沙漏星云RingNebula36第36页，课件共41页，创作于2023年2月白矮星光度为0.1~10-3L⊙绝对星等为Mv~8m-16m半径小于109cm质量为0.3~1.2M⊙，平均～0.7M⊙(Chandrasekhar质量上限为1.4M⊙)有效温度Teff~5×103-4×104K物质平均密度为105~109gcm-3光谱分类DC、DO、DB…DM.（ClassificationsNOTanalogoustoMS–reflectcompositions,nottemperature）白矮星磁场105~108G37第37页，课件共41页，创作于2023年2月DistinguishingTraitsofCompactObjectsObjectMassa(M)Radiusb(R)MeanDensity(gcm-3)SurfacePotential(GM/Rc2)SunM⊙R⊙110-6WhiteDwarf

M⊙~10-2

R⊙

107~10-4NeutronStar~1-3M⊙~10-5

R⊙

1015~10-1BlackholeArbitrary2GM/c2