清華大學(xué)天文學(xué)導(dǎo)論-6小質(zhì)量恒星的演化

1、天文學(xué)導(dǎo)論天文學(xué)導(dǎo)論第第6講講 小質(zhì)量恒星演化小質(zhì)量恒星演化It is said an Eastern monarch once charged his wise men to invent him a sentence to be ever in view, and which should be true and appropriate in all times and situations. They presented him the words: “And this, too, shall pass away.”Abraham Lincoln (1809-1865)September

2、 30, 1859 本講內(nèi)容本講內(nèi)容小質(zhì)量恒星（太陽(yáng)）的主序后演化紅（超）巨星行星狀星云“地球的命運(yùn)”白矮星小質(zhì)量雙星的演化激變變星新星Ia（熱核）超新星主序后恒星的演化主序后恒星的演化 星際云坍縮為巨大的原恒星，由氣體和塵埃組成的盤(pán)所環(huán)繞 遺留在盤(pán)內(nèi)的氣體和塵埃聚積成行星及其衛(wèi)星、小行星和彗星等 原恒星繼續(xù)坍縮直到核心的H點(diǎn)燃而成為主序恒星 主序恒星：恒星核心的H在燃燒 恒星最終會(huì)耗盡其核心的H燃料：結(jié)構(gòu)開(kāi)始劇變，開(kāi)始快速演化 最終坍縮成為沒(méi)有核燃料的致密天體每顆恒星都是唯一的每顆恒星都是唯一的 初始質(zhì)量和化學(xué)豐度決定一個(gè)恒星的命運(yùn) 主序壽命，（赫羅圖）演化路徑，結(jié)束方式 一個(gè)（孤立）恒星形

3、成之時(shí)就確定了它的演化程 雙星的演化：“環(huán)境改變命運(yùn)” 小質(zhì)量恒星和大質(zhì)量恒星的演化十分不同 大致區(qū)分為兩類： 小質(zhì)量恒星 3 Msun 當(dāng)主序恒星核心區(qū)的氫完全耗盡，恒星開(kāi)始脫離主序，演化加快，出現(xiàn)一系列壯觀景象小質(zhì)量恒星的演化大質(zhì)量恒星的演化1。小質(zhì)量恒星的。小質(zhì)量恒星的主序后主序后演化演化 以類太陽(yáng)恒星演化作為小質(zhì)量恒星演化的代表，以此來(lái)了解太陽(yáng)“轟轟烈烈”的一生 相似的初始質(zhì)量（M 1M） 相似的初始化學(xué)成分（太陽(yáng)元素豐度）1.1 亞巨星支亞巨星支 Sub-giant Branch(SB) 核心H枯竭(變?yōu)镠e核)，殼層H燃燒 主序生活結(jié)束，開(kāi)始快速演化 He核收縮 殼層引力增加 殼層

4、壓力增加 殼層H燃燒率加快（He核質(zhì)量增加） 恒星更亮，但體積膨脹 表面溫度降低 恒星更紅！亞巨星結(jié)構(gòu)： 非燃燒He核 + 殼層H燃燒 + 非燃燒H包層 在H-R圖上, 恒星漸漸向右脫離主序(12), 稱為亞巨星支 體積膨脹 表面溫度降低，但光度增加 亞巨星的溫度下降大約1,000K,yr 1081.2 紅巨星支紅巨星支 Red Giant Branch (RGB) 非燃燒He核繼續(xù)坍縮，He核半徑減小，He核溫度上升 殼層H燃燒率更快（He核質(zhì)量增加） 光度增加 恒星包層膨脹 表面溫度降低 RGB He核體積持續(xù)縮小電子開(kāi)始簡(jiǎn)并(壓)紅巨星結(jié)構(gòu)： 非燃燒簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并He核+ 燃燒H殼層 + 非燃

5、燒H包層簡(jiǎn)并：泡利Pauli不相容原理 量子力學(xué)：質(zhì)量大粒子占據(jù)空間?。?電子先簡(jiǎn)并客滿客滿自旋朝上 自旋朝下能級(jí)1能級(jí)2 由于H的調(diào)節(jié) RGB表面溫度變化不大 在H-R圖上，恒星向右上方幾乎垂直攀升成為紅巨星（23) ：顏色紅、體積大（亮） 反向林忠四郎線 ：原恒星主序星：H調(diào)節(jié)yr 105恒星沿RGB是加速向上攀升的 H殼層燃燒 He核質(zhì)量增加 電子簡(jiǎn)并度增加 導(dǎo)致He核繼續(xù)收縮（溫度升） 引力更強(qiáng) H燃燒殼層壓力更大 更快H殼層燃燒 He核質(zhì)量增加更快 (相互促進(jìn)） 恒星光度加速上升 恒星沿RGB是加速攀升的！ 太陽(yáng)從主序到RGB最頂端大約要2億年 SB 階段： L 10Lsun RGB

6、 階段：10Lsun 1,000Lsun 半徑增大為100倍太陽(yáng)半徑太陽(yáng)成為紅巨星1.3 氦閃 (Helium flash) He核質(zhì)量繼續(xù)增加且繼續(xù)收縮 引力更大 H殼層燃燒更快，且加熱He核（由引力能） 當(dāng)He核的溫度上升到約108 K時(shí)，He開(kāi)始燃燒 (3 alpha 過(guò)程：3He C) 恒星攀升到RGB的頂點(diǎn)（3）由于簡(jiǎn)并，He核溫度上升但不膨脹 簡(jiǎn)并He核是很好的熱導(dǎo)體，一旦He核的中心燃燒 幾分鐘內(nèi)加熱整個(gè)He核，瞬間整個(gè)He核溫度相同 整個(gè)He核燃燒 He核電子簡(jiǎn)并 He核燃燒， He核雖溫度上升但壓力不增加（簡(jiǎn)并壓主導(dǎo)） 簡(jiǎn)并He核不膨脹（簡(jiǎn)并氣體不滿足理想氣體狀態(tài)方程！） 簡(jiǎn)

7、并He核的溫度上升 He燃燒率加快 溫度上升加快 He燃燒率加快 . 溫度上升和He燃燒率加快相互促進(jìn)氦閃后，電子簡(jiǎn)并解除氦閃后，電子簡(jiǎn)并解除 因此，簡(jiǎn)并He核的突然燃燒是處于失控狀態(tài)，故稱為氦閃 T =1億 K 1.1億K: 反應(yīng)率增加40倍 T =2億 K 反應(yīng)率增加4.6億倍 數(shù)秒鐘之內(nèi)，溫度上升 熱壓 大于 簡(jiǎn)并壓 He核膨脹冷卻 電子簡(jiǎn)并解除 He燃燒是以He閃的方式開(kāi)始，但氦閃僅持續(xù)數(shù)小時(shí) 氦閃是理論推算，至今仍未觀測(cè)到 He閃所產(chǎn)生的巨大能量用來(lái)抗衡引力和膨脹 He核 氦閃后, 非簡(jiǎn)并He核變得很大 引力減弱 He燃燒核心和H燃燒殼層的壓力減小 核反應(yīng)率明顯降低 恒星光度明顯下降

8、，僅有He閃時(shí)的1/100（包層收縮） 恒星進(jìn)入一個(gè)新的穩(wěn)定態(tài)：He在正常的非簡(jiǎn)并的核內(nèi)燃燒成為C，H在殼層內(nèi)燃燒成為He1.4 水平支 Horizontal Branch (HB) He閃后，光度降低 恒星（H包層）收縮 表面溫度上升 恒星向左下方移至水平支（34） t=100,000 years 恒星的化學(xué)成分決定其在水平支上的位置： 化學(xué)成分和太陽(yáng)類似的小質(zhì)量恒星將只聚集在RGB的左側(cè) Fe豐度比太陽(yáng)小的恒星趨于分布在遠(yuǎn)離RGB的準(zhǔn)水平線上 稱為水平支（HB）星HB星結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定He 核燃燒 + （+ 非燃燒He殼層） + H殼層燃燒 非燃燒H包層yr 1057HB星和主序星的比較 HB恒

9、星非常類似于主序恒星（結(jié)構(gòu)、行為） MS 星：穩(wěn)定的、非簡(jiǎn)并的核心H燃燒 HB 星：穩(wěn)定的、非簡(jiǎn)并的核心He燃燒 (和殼層氫燃燒) HB星保持穩(wěn)定僅5千萬(wàn)年 (HeC, HHe)： 核心區(qū)的燃料變少 He 燃燒的能量轉(zhuǎn)換效率比H低許多 HB星更亮 必須更快消耗燃料（引力強(qiáng)燃燒率大?。?恒星離開(kāi) HB 類似于離開(kāi) MS （作H He, He C替換） 1.5 漸進(jìn)巨星支 Asymptotic Giant Branch (AGB) 在HB階段，C不燃燒（溫度不夠高） C 堆積在核心 當(dāng)核心He枯竭 引力 壓力 C核坍縮至電子簡(jiǎn)并 C核半徑減小，引力上升 殼層壓力上升 加快殼層He和殼層H的燃燒 簡(jiǎn)

10、并 C 核質(zhì)量 (非半徑，仍坍縮) 增長(zhǎng)加快 引力上升加快 殼層壓力上升加快 因此恒星光度上升加快 恒星半徑增大加快 （H-） 表面溫度大致不變 類似于RGB, 恒星再次向右上方加速攀升為紅超巨星 (45) 在H-R圖上的路徑非常類似于RGB (23)，故稱為 AGB，這個(gè)階段的星稱為AGB星（紅超巨星） yr 104AGB星結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)并非燃燒C核 + He 殼層燃燒 + （非燃燒He殼層 +） H殼層燃燒 + 非燃燒H包層 C核：質(zhì)量增加，繼續(xù)收縮，溫度升高*MS, RGB, HB and AGB星的結(jié)構(gòu)比較星的結(jié)構(gòu)比較* 當(dāng)?shù)紸GB頂端（5）時(shí)，光度的顯著增加 + 恒星的顯著膨脹 開(kāi)始拋射冷

11、的外層（引力微弱），最終留下一顆“裸露”的高溫C核心 2rGMg 太陽(yáng)的C 核不會(huì)燃燒！ 簡(jiǎn)并C 核質(zhì)量 (和溫度T) 增加 加快殼層He 和 H燃燒 互相促進(jìn) （C 核收縮） AGB 星類似于RGB星 C (閃) ? 絕對(duì)不會(huì)（對(duì)太陽(yáng)）！ 更大質(zhì)量恒星可以 更小質(zhì)量恒星：He不燃燒！ 1 Msun AGB星 數(shù)百倍Rsun 膨脹并吞食內(nèi)行星軌道，可能包括地球 雖然50億年后發(fā)生， 但遠(yuǎn)在此之前（10億年后），地球?qū)?huì)由于太陽(yáng)光度的增加而被烤焦！地球的命運(yùn)？ 數(shù)十億年后，主序后半段，太陽(yáng)膨脹1.4倍，地球溫度上升，地球上的海洋蒸發(fā)。太陽(yáng)在變大，地球失去大氣，許多隕石坑。灼熱的煉獄之地 作為紅巨

12、星的太陽(yáng)，顏色偏紅，火紅的太陽(yáng)將占據(jù)地球的大半天空 地球未來(lái)的兩種可能，還沒(méi)有定論 被膨脹的太陽(yáng)“吞沒(méi)”（可能性較大，據(jù)最新理論） 不被太陽(yáng)“吞沒(méi)”，繼續(xù)圍繞那個(gè)“太陽(yáng)”公轉(zhuǎn)地球被膨脹的太陽(yáng)“吞沒(méi)” 太陽(yáng)將膨脹（200倍）到差不多地球現(xiàn)在軌道的位置 水星和金星早已被太陽(yáng)吞沒(méi) 紅巨星的大氣稀薄，地球短時(shí)間內(nèi)仍能在其大氣中作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于摩擦，地球失去速度，從而沿一條螺旋軌道向太陽(yáng)中心“掉落”，最終撞進(jìn)太陽(yáng)高溫部分，蒸發(fā)消失地球不被太陽(yáng)“吞沒(méi)” 太陽(yáng)風(fēng)釋放質(zhì)量，因而引力減弱，結(jié)果地球公轉(zhuǎn)軌道比現(xiàn)在向外移動(dòng)不少，有可能不被膨脹的太陽(yáng)“吞沒(méi)” 水星和金星自然是沒(méi)有了 太陽(yáng)（碳核）坍縮變?。ò装牵?，地

13、球仍是一顆行星，將一如既往地公轉(zhuǎn)不停 地球外側(cè)行星軌道同樣外移一些，繼續(xù)公轉(zhuǎn)1.6 恒星質(zhì)量損失 Stellar mass loss 1個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量主序星演化到HB星階段要損失10%-20%的質(zhì)量。演化到AGB星時(shí)再損失其質(zhì)量的20%。 因此結(jié)束AGB星階段時(shí)， 1 Msun主序星的質(zhì)量小于0.7 Msun 在AGB結(jié)束時(shí)，恒星質(zhì)量損失失控 質(zhì)量損失更弱的引力更快的質(zhì)量損失“更”更弱的引力質(zhì)量損失越來(lái)越厲害，拋射速度20 -30 km/s留下熾熱的簡(jiǎn)并C核 殼層He（和H） 快速燃燒（完）為 C “裸露”C核質(zhì)量增加 + 收縮 C核變得越來(lái)越熱 恒星在H-R圖的頂部快速?gòu)挠蚁蜃笠苿?dòng) （56，約5

14、萬(wàn)年） “恒星”表面溫度最終可達(dá) 105 K 主要輻射高能紫外光 (峰值波長(zhǎng) 29 nm) 強(qiáng)烈的紫外輻射加熱和電離膨脹的致密氣體包層而發(fā)光，即行星狀星云1.7 行星狀星云 Planetary Nebulae 行星狀星云通常是低質(zhì)量恒星在死亡時(shí)所拋出的氣體包層，受到中心高溫“白矮星”的輻射，電離而發(fā)光 行星狀星云常為環(huán)形，環(huán)繞著恒星演化后所遺留下來(lái)的白矮星。氣體殼層不斷膨脹，年齡不超過(guò) 5 X 104 年螺旋星云 Helix Nebula The Ring Nebula 環(huán)狀星云 Top: a famous planetary nebula called the Ring Nebula (M5

15、7), as it appears through a small amateur telescope, shows why astronomer thought these objects looked like planets Bottom: however, an HST image of the ring shows the remarkable and complex structure of this expanding shell of gas ？HST 杰作：動(dòng)物園, Planetary nebulae are not all simple spherical shells a

16、round their parent stars These HST images show a wealth of structure resulting from complex processes by which low-mass stars eject their outer layers. Thus, they earns names like Owl Nebula, Clown Nebula, Cats Eye Nebula, and Dumbbell, 貓眼星云The Cats Eye Planetary Nebula as seen by HST (right) and Ch

17、andra (left)蝴蝶星云 Butterfly Nebula沙漏星云啞鈴星云 Dumbbell Nebula愛(ài)斯基摩星云 The Eskimo Nebula1.8 成為白矮星 后AGB星燃燒完所有殼層（表面）燃料 僅剩下質(zhì)量約為 0.6Msun 不能燃燒的簡(jiǎn)并的 C 球 光度驟降，溫度變化不大（收縮和引力能） 在 H-R 圖的最左側(cè)垂直下落(67)，恒星越來(lái)越弱小 幾千年內(nèi)，非燃燒的核心收縮成地球大小，此時(shí)（整個(gè)星體）完全電子簡(jiǎn)并，抗衡引力，不再收縮 簡(jiǎn)并的恒星灰燼稱為（碳）白矮星，很熱但很小1.9 白矮星冷卻為黑矮星 白矮星熱輻射 白矮星持續(xù)冷卻 電子簡(jiǎn)并 其大小幾乎不變 在H-R圖上

18、, 沿等半徑線向右下方移動(dòng) （7 8） 白矮星可保持很熱約1千萬(wàn)年，最終光度可降為原主序星的1/1000 黑矮星 值得記住這個(gè)超密球（一茶匙一噸的密度），其生命實(shí)際上于100多億年前開(kāi)始于一個(gè)比地球上最好的真空還要稀薄100億倍的星際分子云核！ 一個(gè)紀(jì)元的終結(jié). 另一個(gè)新紀(jì)元的開(kāi)端2。白矮星。白矮星 White Dwarfs (WD) 白矮星是密度高、體積小、光度低、表面溫度高的白色星 絕對(duì)星等 Mv 8m-16m 光度很低 有效溫度 Teff 5103- 4104 K：光譜O到K型 暗弱 僅很近的白矮星才易觀測(cè)到 已知白矮星約1500顆，估計(jì)銀河系恒星級(jí)天體總數(shù)的10%或更多是白矮星 單星或

19、雙星成員白矮星的形成機(jī)制（簡(jiǎn)寫(xiě)版）白矮星的形成機(jī)制（簡(jiǎn)寫(xiě)版） A white dwarf is the product of a low mass star (with initial mass 壓力）對(duì)He白矮星， Mch1.44 M對(duì)C / O白矮星，Mch1.4 Mg M/R2 M2/R5錢(qián)德拉塞卡Chandrasekhar極限質(zhì)量dP/dR 4/3/R M4/3/R61932，朗道預(yù)言，1935 錢(qián)德拉塞卡計(jì)算1983諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)3。小質(zhì)量雙星的演化 同為主序恒星時(shí)，雙星的相互影響可能很小 質(zhì)量較大恒星先離開(kāi)主序膨脹，其外層物質(zhì)能夠穿越界定雙星各自引力范圍的分界線而流入質(zhì)量較小伴星，

20、并加快其演化 質(zhì)量較大恒星首先演化為白矮星，與質(zhì)量較小恒星組成一個(gè)由白矮星和“正常恒星”組成的雙星系統(tǒng) 質(zhì)量較小恒星也離開(kāi)主序而膨脹，其物質(zhì)又返流到白矮星（原質(zhì)量較大恒星）3.1 激變變星 Cataclysmic Variables (CVs) 白矮星與（演化的）恒星紅巨星構(gòu)成的相接雙星 白矮星通過(guò)吸積伴星的物質(zhì)產(chǎn)生紫外和X射線輻射（吸積盤(pán)輻射）在密近雙星中，伴星充滿洛希（Roche）瓣進(jìn)行物質(zhì)交流3.2 新星新星 Novae 白矮星通過(guò)吸積盤(pán)源源不斷地吸積伴星物質(zhì)，富氫物質(zhì)堆積在白矮星表面，形成一個(gè)H的包層。當(dāng)其溫度上升到氫能燃燒時(shí)就導(dǎo)致吸積白矮星表面的失控?zé)岷朔磻?yīng) (HHe)，即產(chǎn)生新星激

21、變變星是新星的前身星progenitor 新星：白矮星表面爆發(fā)性的氫燃燒 盡管只觀測(cè)到許多激變變星的一次新星爆發(fā)，但其一生中可能會(huì)經(jīng)歷多次新星爆發(fā) 對(duì)于一個(gè)激變變星系統(tǒng)，新星再發(fā)周期105 年 銀河系每年產(chǎn)生約 50 顆新星，但由于星際消光每年發(fā)現(xiàn)僅 2-3 顆新星新星的觀測(cè)特征 在幾天到幾星期內(nèi)亮度增加致其視星等減小7-16星等，然后緩慢下降，經(jīng)幾個(gè)月或幾年回復(fù)到原先狀態(tài) 輻射主要在光學(xué)和紫外波段 拋射約10-5-10-3 M 的物質(zhì)，拋射物質(zhì)速度100-5000 kms-1光變曲線Nova Herculis 武仙座1934 爆發(fā)時(shí)星等為3m 兩個(gè)月后星等為12m 40年后向外拋射物質(zhì)的半徑達(dá)0.05光年Nova Cygni 天鵝座1975爆發(fā)時(shí)星等為2m 爆發(fā)后降為15m The ejected envelope is visible as a limb-brightened shell expanding away from the binary at