恒星的核燃燒演化

1、恒星的熱核演化恒星的熱核演化 彭秋和彭秋和( (南京大學(xué)天文系南京大學(xué)天文系) )恒星的恒星的赫羅赫羅( (HR) )圖圖通常的主序星通常的主序星, , 質(zhì)量愈大的恒星質(zhì)量愈大的恒星, ,中心密度愈低。中心密度愈低。恒星的中心溫度則是由恒星整體的宏觀性質(zhì)決定的。一般來說，恒星的中心溫度則是由恒星整體的宏觀性質(zhì)決定的。一般來說，質(zhì)量愈大的恒星，其中心溫度愈高。質(zhì)量愈大的恒星，其中心溫度愈高。例如，對(duì)處于穩(wěn)定氫燃燒階例如，對(duì)處于穩(wěn)定氫燃燒階段的主序星，其中心溫度和密度同恒星質(zhì)量的關(guān)系分別為段的主序星，其中心溫度和密度同恒星質(zhì)量的關(guān)系分別為: : ,tcMT )2131(t Mc) 121(太陽太陽

2、: : Tc 1.5107 K質(zhì)量很大的主序星質(zhì)量很大的主序星(例例Wolf-Rayet 星星M (30-50) M 的氫燃燒階段的氫燃燒階段):Tc (7-9) 107 K 恒星的中心密度與中心溫度恒星的中心密度與中心溫度恒星內(nèi)部核燃燒恒星內(nèi)部核燃燒)(),(),(),(332211QdpnAZAZAZ0Q恒星核能源恒星核能源: :放熱反應(yīng)放熱反應(yīng) 核反應(yīng)核反應(yīng)大規(guī)模熱核燃燒點(diǎn)火條件大規(guī)模熱核燃燒點(diǎn)火條件庫侖EkTnuccTnucTMeVAZZReZZEnuc312122120庫侖nuccTT 星體中心溫度星體中心溫度核燃燒的點(diǎn)火溫度核燃燒的點(diǎn)火溫度熱核燃燒的點(diǎn)火溫度是由核物理的微觀性質(zhì)來決

3、定的，它可以熱核燃燒的點(diǎn)火溫度是由核物理的微觀性質(zhì)來決定的，它可以從入射核的熱運(yùn)動(dòng)能從入射核的熱運(yùn)動(dòng)能( (考慮隧道效應(yīng)考慮隧道效應(yīng)) )大約等于庫侖位壘高度的大約等于庫侖位壘高度的(0.5-1)(0.5-1)1010-3-3來估算來估算4( (12) 10恒星的中心溫度則是由恒星整體的宏觀性質(zhì)決定的。一般來恒星的中心溫度則是由恒星整體的宏觀性質(zhì)決定的。一般來說，質(zhì)量愈大的恒星，其中心溫度愈高。說，質(zhì)量愈大的恒星，其中心溫度愈高。 點(diǎn)燃核燃燒的恒星質(zhì)量下限點(diǎn)燃核燃燒的恒星質(zhì)量下限推論推論: :只有當(dāng)恒星質(zhì)量大於某一確定值時(shí)只有當(dāng)恒星質(zhì)量大於某一確定值時(shí)tnucEMM1庫侖它才可能點(diǎn)燃相應(yīng)的熱核

4、燃燒。它才可能點(diǎn)燃相應(yīng)的熱核燃燒。隨著參與反應(yīng)的原子核的核電荷增長(zhǎng)隨著參與反應(yīng)的原子核的核電荷增長(zhǎng), ,其間庫侖位壘迅速其間庫侖位壘迅速增加增加, , 上式中的上式中的Mnuc也隨之增加。也隨之增加。 因而，質(zhì)量不太大的因而，質(zhì)量不太大的恒星內(nèi)部只能點(diǎn)燃某些輕核的熱核反應(yīng)而不能點(diǎn)燃較重原恒星內(nèi)部只能點(diǎn)燃某些輕核的熱核反應(yīng)而不能點(diǎn)燃較重原子核的核燃燒。也就是說，它們的核燃燒是不完全的。子核的核燃燒。也就是說，它們的核燃燒是不完全的。 電子簡(jiǎn)并壓強(qiáng)在星體熱核演化的重要作用電子簡(jiǎn)并壓強(qiáng)在星體熱核演化的重要作用 在原始恒星中在原始恒星中, ,小質(zhì)量恒星的中心密度較高。隨著形成恒星的星云小質(zhì)量恒星的中心

5、密度較高。隨著形成恒星的星云引力收縮引力收縮, , 原始恒星中心溫度不斷上升的同時(shí)，其中心密度也隨著原始恒星中心溫度不斷上升的同時(shí)，其中心密度也隨著進(jìn)一步增加。所以，進(jìn)一步增加。所以， 對(duì)于質(zhì)量太小的恒星對(duì)于質(zhì)量太小的恒星( (例如，當(dāng)恒星質(zhì)量低于例如，當(dāng)恒星質(zhì)量低于0.07 M 時(shí)時(shí))，當(dāng)它們的中心溫度尚未上升到氫燃燒的點(diǎn)火溫度當(dāng)它們的中心溫度尚未上升到氫燃燒的點(diǎn)火溫度 (1.0107K )時(shí)時(shí), , 其物質(zhì)密度也因星體收縮而遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子簡(jiǎn)并其物質(zhì)密度也因星體收縮而遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子簡(jiǎn)并條件的密度值條件的密度值2384)10(108 . 2KTD此后星體內(nèi)電子簡(jiǎn)并壓強(qiáng)已足以抗拒星體自引力的壓縮

6、，恒星不再此后星體內(nèi)電子簡(jiǎn)并壓強(qiáng)已足以抗拒星體自引力的壓縮，恒星不再收縮，其中溫度也不會(huì)再升高。因而其中心溫度始終低于氫燃燒的收縮，其中溫度也不會(huì)再升高。因而其中心溫度始終低于氫燃燒的點(diǎn)火溫度。這些恒星內(nèi)部也不能點(diǎn)燃前述能源序列中的任何核燃燒。點(diǎn)火溫度。這些恒星內(nèi)部也不能點(diǎn)燃前述能源序列中的任何核燃燒。這些恒星的光度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以核燃燒為其能源的主序星的光度，這類這些恒星的光度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以核燃燒為其能源的主序星的光度，這類光度很低的恒星稱為褐矮星光度很低的恒星稱為褐矮星(Brown Star) 耀星和氦閃耀星和氦閃在原始小質(zhì)量恒星收縮過程中，如果其中心溫度在原始小質(zhì)量恒星收縮過程中，如果其中心溫度

7、Tc達(dá)到達(dá)到H燃燒大規(guī)燃燒大規(guī)模進(jìn)行的點(diǎn)火溫度附近時(shí)，正好物質(zhì)密度也接近或達(dá)到上述簡(jiǎn)并密模進(jìn)行的點(diǎn)火溫度附近時(shí)，正好物質(zhì)密度也接近或達(dá)到上述簡(jiǎn)并密度，則由于簡(jiǎn)并物質(zhì)中的熱核燃燒是不穩(wěn)定的，它將導(dǎo)致局部爆炸度，則由于簡(jiǎn)并物質(zhì)中的熱核燃燒是不穩(wěn)定的，它將導(dǎo)致局部爆炸性的性的H燃燒。不過，它并不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)星體爆炸。近年來在天文觀燃燒。不過，它并不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)星體爆炸。近年來在天文觀測(cè)上發(fā)現(xiàn)某些低光度恒星亮度出現(xiàn)短暫的閃亮，人們認(rèn)為它正是這測(cè)上發(fā)現(xiàn)某些低光度恒星亮度出現(xiàn)短暫的閃亮，人們認(rèn)為它正是這種正在形成的小質(zhì)量恒星在弱種正在形成的小質(zhì)量恒星在弱( (電子電子) )簡(jiǎn)并狀態(tài)下氫燃燒開始點(diǎn)火時(shí)簡(jiǎn)并狀態(tài)下

8、氫燃燒開始點(diǎn)火時(shí)出現(xiàn)的氫閃現(xiàn)象出現(xiàn)的氫閃現(xiàn)象, ,稱為稱為耀星耀星。 對(duì)于中、小質(zhì)量恒星對(duì)于中、小質(zhì)量恒星( 0.5 (M/M) 2.2 ),)2.2)2.2)從從H H燃燒較平穩(wěn)地轉(zhuǎn)變?yōu)槿紵^平穩(wěn)地轉(zhuǎn)變?yōu)镠e燃燒階段燃燒階段。 恒星內(nèi)部的平穩(wěn)核燃燒恒星內(nèi)部的平穩(wěn)核燃燒核核燃燃燒燒核核燃燃料料 主要主要 產(chǎn)物產(chǎn)物 Tnuc (0K) g/cm3 產(chǎn)能率產(chǎn)能率釋能率釋能率(erg/g)燃燒時(shí)標(biāo)燃燒時(shí)標(biāo) (年年)H燃燒燃燒 1H 4He (14N)(CNO)(1-2)E7(PP)2.0 E7(CNO)102T4 (PP鏈鏈)(T7=1.4）T16.7 (CNO)(T7=2.0)6.4 E 181E

9、12(0.2 M )1.2 E10 (1M )1 E7(15 M )1 E5 (50 M )He燃燒燃燒 4He12C (中小質(zhì)中小質(zhì)量恒星量恒星)16O (22Ne)1-3 E8103-104 T40(T8=1.0)12C+16O)2 E5(T8=1.3)4 E3(T8=1.5)(=1.0E4)C燃燒燃燒 12C20-22Ne(23Na)24-26Mg(27Al)28Si8.8 E8(1-2)E5T27(T9=1.0)4.0 E1712 年年(無對(duì)流無對(duì)流)Ne燃燒燃燒 20Ne16O,24Mg(Mg-P ）1.5 E91 E6T49(T9=1.5)1.1E17 40 天天(無對(duì)流無對(duì)流)幾

10、年幾年(對(duì)流對(duì)流)O燃燒燃燒 16O24Mg-32S(直到鐵族元素直到鐵族元素)2.1 E9(3-5) E6T33(T9=2.0)5.0 E176 天天(對(duì)流對(duì)流)Si燃燒燃燒24Mg-32S鐵族鐵族元素元素3.5 E91 E7T47(T9=3.5)1.9 E17幾小時(shí)幾小時(shí)(無對(duì)流無對(duì)流)1 天天(對(duì)流對(duì)流)nT爆炸性核燃燒條件爆炸性核燃燒條件 1)1)熱核燃燒的速率非常快，以致于熱核燃燒的時(shí)標(biāo)熱核燃燒的速率非常快，以致于熱核燃燒的時(shí)標(biāo)( (nuc) )短于星體短于星體因自引力作用因自引力作用( (忽略壓強(qiáng)忽略壓強(qiáng)) )的自由坍縮時(shí)標(biāo)的自由坍縮時(shí)標(biāo)( (ffff) ) ffnuc12, 12

11、)2 , 1 (vNnuc21446ff2)2)在時(shí)標(biāo)在時(shí)標(biāo) nuc 內(nèi)熱核燃燒所釋放的總能量必須超過星體本身的自內(nèi)熱核燃燒所釋放的總能量必須超過星體本身的自引力束縛能引力束縛能 RGMMdtdEcorenucnucnuc2引力dtdnuc核燃燒單位質(zhì)量物質(zhì)在核燃燒單位質(zhì)量物質(zhì)在1 1秒鐘內(nèi)釋放的核能秒鐘內(nèi)釋放的核能 恒星的熱核演化恒星的熱核演化 太陽太陽 太陽內(nèi)部主要熱核反應(yīng)太陽內(nèi)部主要熱核反應(yīng) PP反應(yīng)鏈反應(yīng)鏈(H-燃燒燃燒) 太陽中微子問題太陽中微子問題 CNO循環(huán)循環(huán)(中、大質(zhì)量主序星內(nèi)部中、大質(zhì)量主序星內(nèi)部H-燃燒燃燒)太陽太陽R地球地球 6370 公里公里 1 g/cm3 從很遠(yuǎn)處

12、看從很遠(yuǎn)處看, , 太陽是一個(gè)黃色的矮星太陽是一個(gè)黃色的矮星太陽狀況太陽狀況Tc(1.4-1.5)(1.4-1.5)10107 7 K Kc c(50-100) g/cm3H: X0.68He: Y0.30 Z0.02(C、N、O以上重元素以上重元素)太陽能源太陽能源 太陽中心區(qū)域內(nèi)持續(xù)不斷的熱核燃燒太陽中心區(qū)域內(nèi)持續(xù)不斷的熱核燃燒。 4 1H 4He由由Einstein 的質(zhì)量的質(zhì)量- -能量關(guān)系式能量關(guān)系式 E = Mc2M c2 = 4 M(1H) M(4He)c2 = 26.73 MeV同時(shí)釋放同時(shí)釋放26.73 MeV的能量的能量。(續(xù))太陽內(nèi)部每秒鐘都有太陽內(nèi)部每秒鐘都有7,750

13、萬噸的氫在這種熱核爆萬噸的氫在這種熱核爆炸過程中轉(zhuǎn)化為氦炸過程中轉(zhuǎn)化為氦, , 正是由于這種熱核燃燒維持正是由于這種熱核燃燒維持著太陽巨大的光度。著太陽巨大的光度。太陽內(nèi)部大規(guī)模的熱核燃燒已經(jīng)持續(xù)了太陽內(nèi)部大規(guī)模的熱核燃燒已經(jīng)持續(xù)了45億年。億年。估計(jì)它還可以這樣穩(wěn)定地再燃燒估計(jì)它還可以這樣穩(wěn)定地再燃燒5050億年左右。億年左右。在恒星世界中太陽是一個(gè)普通的恒星在恒星世界中太陽是一個(gè)普通的恒星。恒星內(nèi)部熱核燃燒與演化恒星內(nèi)部熱核燃燒與演化一顆恒星的演化史本質(zhì)上就是它內(nèi)部核心區(qū)域的一顆恒星的演化史本質(zhì)上就是它內(nèi)部核心區(qū)域的熱核熱核( (燃燒燃燒) )演化史。大質(zhì)量恒星演化進(jìn)程將先后經(jīng)演化史。大質(zhì)

14、量恒星演化進(jìn)程將先后經(jīng)歷一系列熱核燃燒階段歷一系列熱核燃燒階段: :H燃燒燃燒 ( (穩(wěn)定核燃燒穩(wěn)定核燃燒, , 主序星主序星):): 核合成主要結(jié)果核合成主要結(jié)果: 4 1H 4He 1. PP反應(yīng)鏈反應(yīng)鏈- Tc 1.6 107 K 小質(zhì)量恒星小質(zhì)量恒星 : M 1.1 M 對(duì)太陽對(duì)太陽( ), 穩(wěn)定燃燒穩(wěn)定燃燒 100億年億年 太陽內(nèi)部主要熱核反應(yīng)太陽內(nèi)部主要熱核反應(yīng)強(qiáng)大的中微子源強(qiáng)大的中微子源pp鏈鏈: :氫氫( (質(zhì)子質(zhì)子) )合成氦合成氦(粒子粒子) ) 小質(zhì)量小質(zhì)量(M 1.1 M(M 2 107 K)中，大質(zhì)量中，大質(zhì)量(M 1.1 M(M 1.1 M) )恒星的氫燃燒恒星的氫

15、燃燒 20Na 0.446s Ne-Na循環(huán)循環(huán) (p, ) 18Ne 19Ne 20Ne (p, ) 1.675s 17.3s + 17F 18F 19F 64.5s 109.8m 14O 15O 16O 17O 18O 70.6s 122s 13N 14N 15N AZ 穩(wěn)定核素穩(wěn)定核素 9.96m AY 放射性核素放射性核素 1/2 12C 13C主序后恒星晚期的熱核演化主序后恒星晚期的熱核演化恒星在赫羅圖上的演化 恒星的一生就是一部和引力斗爭(zhēng)的歷史！恒星在一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

16、開始演化。4He + 4He 8Be + 8Be + 4He 12C + 8Be是非常不穩(wěn)定的同位素，分裂成兩個(gè)是非常不穩(wěn)定的同位素，分裂成兩個(gè)4He的的時(shí)標(biāo)僅為時(shí)標(biāo)僅為10-12 s。但它在分裂前有一定概率再。但它在分裂前有一定概率再吸收一個(gè)吸收一個(gè)粒子粒子 而轉(zhuǎn)變?yōu)槎D(zhuǎn)變?yōu)?2C 3 反應(yīng)反應(yīng)氦燃燒氦燃燒 ( (主序后的紅巨星階段主序后的紅巨星階段) T108 K105 g/cm3,10-6 g/cm3紅巨星的結(jié)構(gòu)紅巨星的結(jié)構(gòu)當(dāng)核心溫度逐漸升到當(dāng)核心溫度逐漸升到108 K，三，三alpha反應(yīng)可以進(jìn)行，則進(jìn)入反應(yīng)可以進(jìn)行，則進(jìn)入另一個(gè)演化階段。另一個(gè)演化階段。中、小質(zhì)量恒星的演化圖象中、小

17、質(zhì)量恒星的演化圖象H-燃燃燒燒 紅巨星紅巨星He-燃燃燒燒主序星主序星C-O核核心心 He-燃燒燃燒 殼層殼層 H-燃燒燃燒 殼層殼層白矮星白矮星1324Spirograph nebulaRing NebulaCats Eye NebulaAGB星星He燃燒階段的關(guān)鍵疑難問題燃燒階段的關(guān)鍵疑難問題核反應(yīng)核反應(yīng)12C(,)16O 的截面的截面?不確定性達(dá)到不確定性達(dá)到3 3倍。倍。,(12C)的的 截面因子截面因子 S0=S(Eeff=0.3MeV)a)a) 如果選取如果選取 S0 = 0.10 MeV-barn (1975-1988 (1975-1988 國(guó)際推國(guó)際推 薦值薦值) )則則He燃

18、燒結(jié)束后燃燒結(jié)束后 核產(chǎn)物核產(chǎn)物1 12C 的豐度超過的豐度超過30%以上，以上，M 8 M 的中，大質(zhì)量恒星核心區(qū)將會(huì)先后發(fā)生的中，大質(zhì)量恒星核心區(qū)將會(huì)先后發(fā)生 C燃燒燃燒, ,Ne燃燒和燃燒和O 燃燒。燃燒。b) b) 如果選取如果選取 S0 = 0.39 MeV-barn ( (德國(guó)德國(guó) Mester大學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定值大學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定值) )或或 S0 = 0.28 MeV-barn ( (美國(guó)美國(guó)Caltech研究小組測(cè)定值研究小組測(cè)定值) ) 則至少對(duì)則至少對(duì) M 20 M 的大質(zhì)量恒星，的大質(zhì)量恒星，He燃燒之后，燃燒之后，12C 的豐度的豐度低于低于8%，在恒星核心收縮的過程中，這些少量

19、的，在恒星核心收縮的過程中，這些少量的12C將隨之而將隨之而燃燒光，不構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的核燃燒階段。也就是說，它將越過燃燒光，不構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的核燃燒階段。也就是說，它將越過C、Ne(它總伴隨著它總伴隨著C C燃燒燃燒) )燃燒階段而直接進(jìn)入燃燒階段而直接進(jìn)入O燃燒階段。燃燒階段。 氦燃燒以后恒星內(nèi)部的核燃燒氦燃燒以后恒星內(nèi)部的核燃燒 碳燃燒碳燃燒: 1212C + C + 1212C C 氖燃燒氖燃燒: : 光致碎裂反應(yīng)導(dǎo)致元素重新組合光致碎裂反應(yīng)導(dǎo)致元素重新組合氧燃燒氧燃燒: 16O + 16O 硅燃燒硅燃燒( (硅熔化硅熔化):):光致碎裂反應(yīng)導(dǎo)致元素重新組合光致碎裂反應(yīng)導(dǎo)致元素重新組合 鐵族

20、元素的核合成鐵族元素的核合成 它們基本上都是由放熱核反應(yīng)組成它們基本上都是由放熱核反應(yīng)組成( (作為恒星強(qiáng)大輻射的能源作為恒星強(qiáng)大輻射的能源) )。M / M最后歸宿最后歸宿質(zhì)量非常小質(zhì)量非常小恒恒 星星 30經(jīng)歷經(jīng)歷H, He, C, Ne, O, Si 等各燃燒階段等各燃燒階段超新星超新星爆發(fā)爆發(fā)黑洞黑洞? ?不同質(zhì)量恒星的演化和歸宿不同質(zhì)量恒星的演化和歸宿恒星在赫羅圖上的演化 恒星的一生就是一部和引力斗爭(zhēng)的歷史！恒星在一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。恒星演化通常要經(jīng)歷： 核心氫燃

21、燒的主序星階段(Main Sequence ) 核心氫燃燒枯竭后的紅巨星階段(Red Giant Branch ) 核心氦燃燒枯竭后的漸進(jìn)巨星支階段(Asymptotic Giant Branch) 熱脈沖形成行星狀星云和白矮星( m8m )；或者進(jìn)入碳主序 大質(zhì)量恒星形成洋蔥結(jié)構(gòu) 經(jīng)歷氦閃或不經(jīng)歷氦閃進(jìn)入核心氦燃燒的水平支階段(He core flash and Horizontal Branch )質(zhì)量越大的恒星壽命越短，越早脫離主序。赫羅圖脫離主序的位置對(duì)應(yīng)星團(tuán)的年齡。影響恒星演化的重要物理因素影響恒星演化的重要物理因素 一、核燃燒因素一、核燃燒因素二星體核心簡(jiǎn)并性的影響二星體核心簡(jiǎn)并性

22、的影響三對(duì)流作用三對(duì)流作用 四星體脈動(dòng)（脈動(dòng)變星）與四星體脈動(dòng)（脈動(dòng)變星）與AGB星的熱脈沖星的熱脈沖五、恒星的星風(fēng)五、恒星的星風(fēng)六、引起恒星核心坍縮的主要物理因素六、引起恒星核心坍縮的主要物理因素1) 鐵族元素原子核上的鐵族元素原子核上的電子俘獲過程電子俘獲過程( (II型超新星核心型超新星核心)2) 廣義相對(duì)論效應(yīng)廣義相對(duì)論效應(yīng)( (大質(zhì)量白矮星大質(zhì)量白矮星) )3) 電子對(duì)湮滅的中微子發(fā)射過程電子對(duì)湮滅的中微子發(fā)射過程(超巨質(zhì)量恒星超巨質(zhì)量恒星)4) 高溫下重原子核的光致裂解過程高溫下重原子核的光致裂解過程(輔助作用輔助作用)影響恒星演化研究的三種不確定性因素影響恒星演化研究的三種不確定性因素: :1)熱核反應(yīng)率的不確定性熱核反應(yīng)率的不確定性2)恒星內(nèi)部恒星內(nèi)部( (主要在接近表面附近主要在接近表面附近) )的對(duì)流理論不確定性的對(duì)流理論不確定性3)恒星星風(fēng)的不確定性恒星星風(fēng)的不確定性 重元素重元素 的核合成的核合成硅燃燒核合成的主要特征硅燃燒核合成的主要特征: :1)1)從從2424Mg Mg 4040Ca Ca 之間，元素豐度以各個(gè)