恒星的形成與演化(科普版)

1、恒星的形成與演化恒星的形成與演化 大爆炸大爆炸 第一代第一代 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在現(xiàn)在 恒星的形成恒星的形成 l 大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué) 宇宙的極早期，宇宙的溫度和密度都宇宙的極早期，宇宙的溫度和密度都極高極高 溫度不斷下降，宇宙輻射為主溫度不斷下降，宇宙輻射為主物質(zhì)為主物質(zhì)為主 氣體逐漸凝聚成氣云，然后有氣體逐漸凝聚成氣云，然后有恒星、星系恒星、星系 l 恒星形成理論恒星形成理論 星際氣體怎么會(huì)形星際氣體怎么會(huì)形 成光輝奪目的成光輝奪目的恒星恒星 呢？呢？ 2021-8-3 散布于空間彌漫物質(zhì)在散布于空間彌漫物質(zhì)在引力引力作用下凝聚為恒星作用下凝聚為恒星 宇宙空間存在著大量的星際物質(zhì)（宇宙空間存在

2、著大量的星際物質(zhì)（星際氣體、星際塵埃、 宇宙線與星際磁場） 由于星際物質(zhì)密度的不均勻性，形成了一些密度較大區(qū)域由于星際物質(zhì)密度的不均勻性，形成了一些密度較大區(qū)域 星際物質(zhì)受到引力的作用，便聚集到這些區(qū)域，形成星云星際物質(zhì)受到引力的作用，便聚集到這些區(qū)域，形成星云 星云不斷收縮，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為恒星內(nèi)部熱能和向外的輻射能星云不斷收縮，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為恒星內(nèi)部熱能和向外的輻射能 星云溫度不斷提高，并向外輻射能量，從而形成原始恒星星云溫度不斷提高，并向外輻射能量，從而形成原始恒星 不同類型的恒星不同類型的恒星 規(guī)模較小的星云形成一個(gè)規(guī)模較小的星云形成一個(gè)孤立的恒星孤立的恒星, , 大的星云由于密度不均勻大的星云

3、由于密度不均勻, ,其中有幾個(gè)質(zhì)量中心其中有幾個(gè)質(zhì)量中心, ,因而形因而形 成成雙星、聚星或星團(tuán)雙星、聚星或星團(tuán)。 質(zhì)量非常小的星云質(zhì)量非常小的星云, ,不能收縮成為恒星不能收縮成為恒星 2021-8-34 巨蛇座彌漫星云巨蛇座彌漫星云M16M16 彌漫星云 獵戶座馬頭星云 彌漫星云 玫瑰星云 彌漫星云 三葉星云 彌漫星云 人馬座礁湖星云M8 彌漫星云 行星狀星云 金牛座蟹狀星云M1 亮星云：發(fā)射星云，反射星云 星云 暗星云 馬頭星云 鷹云 l暗星云 (dark nebulae) 大量的塵埃阻擋了星云內(nèi) 部或后面恒星的星光。 昴星團(tuán) l反射星云 (reflection nebulae) 星云通

4、過塵埃反射附近的熱星的星光而發(fā)光，顏色偏藍(lán)。 熱星的光譜型一般晚于B3型。 恒星形成理論恒星形成理論: 彌漫學(xué)說彌漫學(xué)說 散布于空間彌漫物質(zhì)在引力作用下凝聚為恒星散布于空間彌漫物質(zhì)在引力作用下凝聚為恒星 宇宙空間存在著大量的星際物質(zhì)（宇宙空間存在著大量的星際物質(zhì)（星際氣體、星際塵埃、 宇宙線與星際磁場） 由于星際物質(zhì)密度的不均勻性，形成了一些密度較大區(qū)域由于星際物質(zhì)密度的不均勻性，形成了一些密度較大區(qū)域 星際物質(zhì)受到引力的作用，便聚集到這些區(qū)域，形成星云星際物質(zhì)受到引力的作用，便聚集到這些區(qū)域，形成星云 星云不斷收縮，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為恒星內(nèi)部熱能和向外的輻射能星云不斷收縮，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為恒星內(nèi)部熱能和向

5、外的輻射能 星云溫度不斷提高，并向外輻射能量，從而形成原始恒星星云溫度不斷提高，并向外輻射能量，從而形成原始恒星 不同類型的恒星不同類型的恒星 規(guī)模較小的星云形成一個(gè)規(guī)模較小的星云形成一個(gè)孤立的恒星孤立的恒星, , 大的星云由于密度不均勻大的星云由于密度不均勻, ,其中有幾個(gè)質(zhì)量中心其中有幾個(gè)質(zhì)量中心, ,因而形因而形 成成雙星、聚星或星團(tuán)雙星、聚星或星團(tuán)。 質(zhì)量非常小的星云質(zhì)量非常小的星云, ,不能收縮成為恒星不能收縮成為恒星 2021-8-315 l由萬有引力產(chǎn)生的一種不穩(wěn)定性，因由萬有引力產(chǎn)生的一種不穩(wěn)定性，因 金斯在金斯在2020世紀(jì)初最先研究而得名世紀(jì)初最先研究而得名 l對(duì)于一個(gè)如星

6、云的自引力體系，對(duì)于一個(gè)如星云的自引力體系，當(dāng)星當(dāng)星 云的質(zhì)量足夠高時(shí)，云的質(zhì)量足夠高時(shí)，( (向內(nèi)的向內(nèi)的) )引力超引力超 過由熱運(yùn)動(dòng)和湍動(dòng)產(chǎn)生的過由熱運(yùn)動(dòng)和湍動(dòng)產(chǎn)生的( (向外的向外的) )壓壓 力，將引起星云的收縮力，將引起星云的收縮 l星云不穩(wěn)定的極限質(zhì)量稱為金斯星云不穩(wěn)定的極限質(zhì)量稱為金斯 (Jeans)(Jeans)質(zhì)量：質(zhì)量： 2021-8-16 MJ1.210 5 M T 100K 3 2 10 24 gcm3 1 2 3 2 James Jeans 1877 - 1946 2021-8-17 MJ1.210 5 M T 100K 3 2 10 24 gcm3 1 2 3 2

7、 中性氫云：中性氫云：n 1cm-3, T 100KMJ3104 M 暗分子云：暗分子云：n 106 cm-3, T 10 K MJ1 M JeansJeans質(zhì)量判據(jù)給出了質(zhì)量判據(jù)給出了非相對(duì)論非相對(duì)論、無磁場無磁場星云星云 坍縮的必要條件坍縮的必要條件( (并不是所有的星云都可以形成恒星并不是所有的星云都可以形成恒星) ) l有效的能量輻射有效的能量輻射 輻射壓將反抗引輻射壓將反抗引 力力,阻礙星云塌縮阻礙星云塌縮 l星系潮汐力影響星系潮汐力影響 l星云原初角動(dòng)量星云原初角動(dòng)量 Rotationthat is, spincan also compete with gravitys inwa

8、rd pull 2021-8-20 垂直自轉(zhuǎn)軸方向停止收縮，平行方向繼續(xù)收縮，垂直自轉(zhuǎn)軸方向停止收縮，平行方向繼續(xù)收縮， 星云變得扁平且密度增大，最終星云碎裂。總角動(dòng)星云變得扁平且密度增大，最終星云碎裂?？偨莿?dòng) 量被分解為各個(gè)碎塊的自轉(zhuǎn)和軌道角動(dòng)量。量被分解為各個(gè)碎塊的自轉(zhuǎn)和軌道角動(dòng)量。 l原始星云的磁場原始星云的磁場 原始星云一般具有微弱的磁場。原始星云一般具有微弱的磁場。 隨著星云收縮，磁場強(qiáng)度變大。隨著星云收縮，磁場強(qiáng)度變大。 磁場將阻止星云收縮，特別是垂磁場將阻止星云收縮，特別是垂 直于磁場方向的收縮。直于磁場方向的收縮。 2021-8-21 Magnetism can hinder

9、the contraction of a gas cloud, especially in directions perpendicular to the magnetic field (solid lines). Frames (a), (b), and (c) trace the evolution of a slowly contracting interstellar cloud having some magnetism. 2021-8-22 HSTHST拍攝到了迄今為拍攝到了迄今為 止最清晰的止最清晰的獵戶座星獵戶座星 云云全景照片。這張照全景照片。這張照 片不僅顯示出大量恒片不僅

10、顯示出大量恒 星的誕生，也包含有星的誕生，也包含有 罕見的褐矮星。罕見的褐矮星。 2021-8-23 獵戶星云縮小圖最大恒星深紅色柱 Failing stars Sculpting the landscape Pillars of gas 2021-8- I 這是一張從這是一張從 Spitzer 和和HST 得到得到 的圖片的圖片 光波波長為 0.43微米,0.50 微米和0.53微米 是藍(lán)色的。 波長0.6微 米,0.65微米， 0.91微米是綠色 的。 3.6微米的光是 橘黃色的 8微米的光 是紅 色的 l恒星的形成恒星的形成： 引力坍縮引力坍縮 分子云 恒星 恒星演化的基本原理 恒星在一

11、生的演化中總是試圖處于穩(wěn)定狀態(tài) （流體靜力學(xué)平衡和熱平衡）。當(dāng)恒星無法產(chǎn)生 足夠多的能量時(shí)，它們就無法維持熱平衡和流體 靜力學(xué)平衡，于是開始演化。 恒星的一生就是一部和引力斗爭的歷史！ 如果恒星處于流體靜力學(xué)平衡和熱平 衡，而且它的能量來自內(nèi)部的核反應(yīng)，它 們的結(jié)構(gòu)和演化就完全唯一地由初始質(zhì)量 和化學(xué)豐度決定。 l赫羅圖是天文學(xué)上最重要的圖之一， l由 Hertzsprung 丹麥與 Russell美國 分別發(fā)現(xiàn)。如以恒星的表面溫度、發(fā)光能力 亮度與光譜型態(tài)為坐標(biāo)作圖，恒星在圖上 的分布可分成數(shù)群：Ia亮超巨星& Ib超 巨星, II亮巨星, III巨星, IV 次巨星, V主序星與白矮星。傳

12、統(tǒng)上橫 軸上的溫度是由右向左遞增。 l右方的縱軸為恒星的絕對(duì)星等，亦即恒星在距 地球10 pc(32.6 ly)時(shí)的視星等。絕對(duì)星 等可量度一恒星的實(shí)際亮度。 亮度亮度 溫度溫度 不同的恒星 有不同的位置 10000 1000 100 10 1 10 1 100 1 1000 1 OBAFGKM 40000 0 10000 0 7000 0 5000 0 3000 0 溫度(0C) 和太陽比較下的實(shí)際亮度 光譜型 藍(lán) 白 黃 橙 紅 太陽的一生 五千萬年 太陽在主序帶上 燃燒一百億年 五億年 太陽膨脹成為紅巨星 比地球軌道還大 太陽由氣體云收縮 太陽的外層 因激烈的脹縮而爆發(fā) 75000年 壽

13、終正寢的太陽 成為白矮星 最后，變成黑矮星 l小質(zhì)量星在赫羅圖上的演化軌跡 l中等質(zhì)量星在赫羅圖上的演化軌跡 恒星中心核可能經(jīng)歷的核燃燒過程及其生成物 恒星內(nèi)部物理過程 ： 核心H枯竭殼層H燃燒 核心He燃燒核心He枯竭殼層He和H燃燒 核心C燃燒核心C枯竭殼層C、He和H燃燒 O, Ne, Si燃燒 Fe核 l經(jīng)歷多種元素聚合反應(yīng)后， 以超新星爆發(fā)的形式結(jié)束 一生。 l1987.2.23爆發(fā) (d = 170,000 ly)，是人類自望遠(yuǎn)鏡發(fā)明 以來第一顆憑肉眼發(fā)現(xiàn)的 超新星。 l前身星： Sanduleak - 69202，B3 I型藍(lán)超巨星 M 20 M，L 105 L，T 16,000

14、 K，R 40R SN 1987A in X-ray Crab Nebula - Optical and X-ray 天鵝圈 Cygnus Loop 恒星的形成與演化圖 紅巨星 熱力與重力的抗?fàn)師崃εc重力的抗?fàn)?紅巨星的終結(jié)會(huì)因質(zhì)量的不同而有不同的結(jié)果：紅巨星的終結(jié)會(huì)因質(zhì)量的不同而有不同的結(jié)果： 質(zhì)量為太陽三倍以下，會(huì)形成白矮星質(zhì)量為太陽三倍以下，會(huì)形成白矮星。 質(zhì)量為太陽三倍以上，則形成超新星。質(zhì)量為太陽三倍以上，則形成超新星。 熱力與重力的抗?fàn)師崃εc重力的抗?fàn)?紅巨星乃恒星的紅巨星乃恒星的老年老年?duì)顟B(tài)，恒星內(nèi)部的核狀態(tài)，恒星內(nèi)部的核 融合將氫結(jié)合成氦、氦合成碳、碳合成氧融合將氫結(jié)合成氦、氦

15、合成碳、碳合成氧.直直 至產(chǎn)生鐵后，便不能再進(jìn)行核融合。核融合變少，至產(chǎn)生鐵后，便不能再進(jìn)行核融合。核融合變少， 恒星溫度下降，使恒星收縮。收縮后，又因收縮恒星溫度下降，使恒星收縮。收縮后，又因收縮 產(chǎn)生熱力，恒星再次膨脹。恒星就如此落入重力產(chǎn)生熱力，恒星再次膨脹。恒星就如此落入重力 與熱力的競爭中。后期因鐵核增大，膨脹收縮的與熱力的競爭中。后期因鐵核增大，膨脹收縮的 幅度上升，形成稱為幅度上升，形成稱為變星變星的亮度脈沖星體。的亮度脈沖星體。 紅巨星紅巨星 它為什么稱為紅巨星呢? 當(dāng)一星球，進(jìn)入碳氮氧循環(huán)核能反應(yīng) 的變星階段。 此時(shí)星球的外觀充滿著快 速擴(kuò)散的氣體，也因此而降低了溫度， 呈現(xiàn)紅色的低溫特征， 如此巨大呈 現(xiàn)泛紅的星體被稱之為: 紅巨星 星球外層氣體 會(huì)膨脹而成:紅 巨星 白矮星 白矮星為小質(zhì)量恒星 的死亡方式。在紅巨星 階段，氣體層散發(fā)后， 剩下的散發(fā)淡光的鐵核， 這就是白矮星。白矮星 溫度很高，質(zhì)量也大， 一立方厘米約為十個(gè)人 的質(zhì)量，大小如同地球。 白矮星最后會(huì)因能量 散失(主要是光)而變?yōu)榘?淡無光的黑矮星。 超新星 新星 超新星的殘骸 超新星為大質(zhì)量恒星的死亡方式。恒 星因鐵核質(zhì)量周過大，膨脹收縮激烈， 鐵核因重力使質(zhì)子與電子結(jié)合，形成 中子核和放出微中子。氣體層收縮，