恒星的核燃燒演化

恒星的熱核演化

彭秋和(南京大學(xué)天文系)恒星的赫羅(HR)圖通常的主序星,質(zhì)量愈大的恒星,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(lái)說(shuō)，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:

太陽(yáng):

Tc~1.5×107K質(zhì)量很大的主序星(例Wolf-Rayet

星M~(30-50)M⊙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內(nèi)部核燃燒恒星核能源:放熱反應(yīng)

核反應(yīng)大規(guī)模熱核燃燒點(diǎn)火條件星體中心溫度核燃燒的點(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(lái)決定的，它可以從入射核的熱運(yùn)動(dòng)能(考慮隧道效應(yīng))大約等于庫(kù)侖位壘高度的(0.5-1)10-3來(lái)估算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(lái)說(shuō)，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)量下限推論:只有當(dāng)恒星質(zhì)量大於某一確定值時(shí)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),其間庫(kù)侖位壘迅速增加,上式中的Mnuc也隨之增加。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)燃較重原子核的核燃燒。也就是說(shuō)，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

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)，其中心密度也隨著進(jìn)一步增加。所以，對(duì)于質(zhì)量太小的恒星(例如，當(dāng)恒星質(zhì)量低于0.07M⊙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

(1.0×107K)時(shí),其物質(zhì)密度也因星體收縮而遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子簡(jiǎn)并條件的密度值此后星體內(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，這類光度很低的恒星稱為褐矮星(BrownStar)耀星和氦閃在原始小質(zhì)量恒星收縮過(guò)程中，如果其中心溫度

Tc達(dá)到H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H燃燒。不過(guò)，它并不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)星體爆炸。近年來(lái)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)為它正是這種正在形成的小質(zhì)量恒星在弱(電子)簡(jiǎn)并狀態(tài)下氫燃燒開始點(diǎn)火時(shí)出現(xiàn)的氫閃現(xiàn)象,稱為耀星。

對(duì)于中、小質(zhì)量恒星(0.5<(M/M⊙)<2.2),氫燃燒(灰渣為氦)結(jié)束后核心收縮，溫度上升，當(dāng)溫度達(dá)到1×108K(氦燃燒的點(diǎn)火溫度)時(shí),物質(zhì)密度接近電子簡(jiǎn)并的臨界密度。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He燃燒—氦閃。此時(shí)恒星急劇膨脹成為體積龐大的紅巨星。太陽(yáng)在50億年以后會(huì)經(jīng)歷這個(gè)過(guò)程,體積膨脹到將把火星軌道包含在內(nèi)。大質(zhì)量恒星((M/M⊙)>2.2)從H燃燒較平穩(wěn)地轉(zhuǎn)變?yōu)镠e燃燒階段。

恒星內(nèi)部的平穩(wěn)核燃燒核燃燒核燃料主要產(chǎn)物

Tnuc(0K)ρg/cm3產(chǎn)能率釋能率(erg/g)燃燒時(shí)標(biāo)(年)H燃燒

1H

4He

(14N)(CNO)(1-2)E7(PP)>2.0E7(CNO)102T4

(PP鏈)(T7=1.4）T16.7

(CNO)(T7=2.0)6.4E181E12(0.2M⊙)1.2E10

(1M⊙)1E7(15M⊙)1E5(50M⊙)He燃燒

4He12C(中小質(zhì)量恒星)16O

(22Ne)1-3E8103-104T40(T8=1.0)12C+16O)2E5(T8=1.3)4E3(T8=1.5)(ρ=1.0E4)C燃燒

12C20-22Ne(23Na)24-26Mg(27Al)28Si8.8E8(1-2)E5T27(T9=1.0)4.0E1712年(無(wú)對(duì)流)Ne燃燒

20Ne16O,24Mg(Mg-P）1.5E91E6T49(T9=1.5)1E1740天(無(wú)對(duì)流)幾年(對(duì)流)O燃燒

16O24Mg-32S(直到鐵族元素)2.1E9(3-5)E6T33(T9=2.0)5.0E176天(對(duì)流)Si燃燒24Mg-32S鐵族元素3.5E91E7T47(T9=3.5)9E17幾小時(shí)(無(wú)對(duì)流)1天(對(duì)流)爆炸性核燃燒條件

1)熱核燃燒的速率非常快，以致于熱核燃燒的時(shí)標(biāo)(nuc)短于星體因自引力作用(忽略壓強(qiáng))的自由坍縮時(shí)標(biāo)(ff)

2)在時(shí)標(biāo)nuc

內(nèi)熱核燃燒所釋放的總能量必須超過(guò)星體本身的自引力束縛能

核燃燒單位質(zhì)量物質(zhì)在1秒鐘內(nèi)釋放的核能

恒星的熱核演化太陽(yáng)太陽(yáng)內(nèi)部主要熱核反應(yīng)—PP反應(yīng)鏈(H-燃燒)太陽(yáng)中微子問(wèn)題CNO循環(huán)(中、大質(zhì)量主序星內(nèi)部H-燃燒)太陽(yáng)R地球

6370公里<><1g/cm3

從很遠(yuǎn)處看,太陽(yáng)是一個(gè)黃色的矮星太陽(yáng)狀況Tc≈(1.4-1.5)×107Kρc≈(50-100)g/cm3H:X≈0.68He:Y≈0.30Z≈0.02(C、N、O以上重元素)太陽(yáng)能源太陽(yáng)中心區(qū)域內(nèi)持續(xù)不斷的熱核燃燒。

41H

4He由Einstein的質(zhì)量-能量關(guān)系式

E=Mc2ΔMc2={4M(1H)–M(4He)}c2

=26.73MeV同時(shí)釋放26.73MeV的能量。(續(xù))太陽(yáng)內(nèi)部每秒鐘都有7,750萬(wàn)噸的氫在這種熱核爆炸過(guò)程中轉(zhuǎn)化為氦,正是由于這種熱核燃燒維持著太陽(yáng)巨大的光度。太陽(yáng)內(nèi)部大規(guī)模的熱核燃燒已經(jīng)持續(xù)了45億年。估計(jì)它還可以這樣穩(wěn)定地再燃燒50億年左右。在恒星世界中太陽(yáng)是一個(gè)普通的恒星。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)域的熱核(燃燒)演化史。大質(zhì)量恒星演化進(jìn)程將先后經(jīng)歷一系列熱核燃燒階段:H燃燒(穩(wěn)定核燃燒,主序星):

核合成主要結(jié)果:41H

4He

1.PP反應(yīng)鏈----Tc<1.6107K

小質(zhì)量恒星

:M<1.1M⊙

對(duì)太陽(yáng)(⊙),穩(wěn)定燃燒

100億年

太陽(yáng)內(nèi)部主要熱核反應(yīng)—強(qiáng)大的中微子源pp鏈:氫(質(zhì)子)合成氦(α粒子)—小質(zhì)量(M<1.1M⊙)主序星的氫燃燒(pp-ν)99.75%0.25%14%86%0.15%99.85%太陽(yáng)——強(qiáng)大的中微子源源反應(yīng)

簡(jiǎn)稱

中微子能量

E(MeV)性質(zhì)極大能量平均能量

中微子流量(理論預(yù)言)

(在地球處每秒穿過(guò)1米2

面積的太陽(yáng)中微子數(shù)目)

1H+1H2D+e++e低能

(pp)中微子

連續(xù)0.4200.2657Be+e-

7Li+e

中能

(7Be)中微子

分立0.86(90%)0.38(10%)8B8Be+e++e

高能

(8B)中微子

連續(xù)147.2

從太陽(yáng)發(fā)射出來(lái)的中微子主要是低能中微子。中能中微子的流量只占低能中微子流量的1/20。高能中微子流量只有低能中微子流量的三十萬(wàn)分之一。中微子流量理論預(yù)言取自文獻(xiàn):J.Bahcall,ApJ,2001,555,990-1012。CNO循環(huán)(Tc>2107K)

中，大質(zhì)量(M>1.1M⊙)恒星的氫燃燒

20Na

0.446sNe-Na循環(huán)

(p,)

18Ne

19Ne

20Ne(p,)

1.675s

17.3s

+17F18F19F64.5s109.8m14O15O16O 17O18O70.6s122s

13N14N15NAZ穩(wěn)定核素

9.96m

AY放射性核素

1/2

12C13C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(wú)法產(chǎn)生足夠多的能量時(shí)，它們就無(wú)法維持熱平衡和流體靜力學(xué)平衡，于是開始演化。4He+4He8Be+8Be+4He12C+8Be是非常不穩(wěn)定的同位素，分裂成兩個(gè)4He的時(shí)標(biāo)僅為10-12s。但它在分裂前有一定概率再吸收一個(gè)粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)?2C—3反應(yīng)氦燃燒(主序后的紅巨星階段)—T>108K105g/cm3,10-6g/cm3紅巨星的結(jié)構(gòu)當(dāng)核心溫度逐漸升到108K，三alpha反應(yīng)可以進(jìn)行，則進(jìn)入另一個(gè)演化階段。中、小質(zhì)量恒星的演化圖象H-燃燒

紅巨星He-燃燒主序星C-O核心

He-燃燒殼層

H-燃燒殼層白矮星1324SpirographnebulaRingNebulaCat’sEyeNebulaAGB星He燃燒階段的關(guān)鍵疑難問(wèn)題核反應(yīng)12C(α,γ)16O

的截面???不確定性達(dá)到3倍。σα,γ(12C)的截面因子S0=S(Eeff=0.3MeV)如果選取

S0=0.10MeV-barn(1975-1988國(guó)際推薦值)則He燃燒結(jié)束后核產(chǎn)物12C

的豐度超過(guò)30%以上，M>8M⊙

的中，大質(zhì)量恒星核心區(qū)將會(huì)先后發(fā)生

C燃燒,Ne燃燒和O燃燒。b)如果選取

S0=0.39MeV-barn(德國(guó)Mester大學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定值)或S0=0.28MeV-barn(美國(guó)Caltech研究小組測(cè)定值)

則至少對(duì)M>20M⊙

的大質(zhì)量恒星，He燃燒之后，12C的豐度低于8%，在恒星核心收縮的過(guò)程中，這些少量的12C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(shuō)，它將越過(guò)C、Ne(它總伴隨著C燃燒)燃燒階段而直接進(jìn)入O燃燒階段。

氦燃燒以后恒星內(nèi)部的核燃燒

碳燃燒:12C+12C氖燃燒:光致碎裂反應(yīng)導(dǎo)致元素重新組合氧燃燒:16O+16O硅燃燒(硅熔化):光致碎裂反應(yīng)導(dǎo)致元素重新組合

鐵族元素的核合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)。M/M⊙最后歸宿質(zhì)量非常小恒星<0.07無(wú)核燃燒;引力收縮,引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為輻射能以紅外輻射和紅光為主(褐矮星)中小質(zhì)量恒星0.07—8經(jīng)歷

H、He燃燒恒星會(huì)經(jīng)歷急劇膨脹和熱脈沖(AGB星)白矮星+行星狀星云大質(zhì)量恒星8—25經(jīng)歷H,He,C,Ne,O,Si

等各燃燒階段超新星爆發(fā)中子星(脈沖星)+超新星遺跡質(zhì)量非常大恒星>30經(jīng)歷H,He,C,Ne,O,Si

等各燃燒階段超新星爆發(fā)黑洞?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(wú)法產(chǎn)生足夠多的能量時(shí)，它們就無(wú)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：核心氫燃燒的主序星階段(MainSequence

)核心氫燃燒枯竭后的紅巨星階段(RedGiantBranch

)核心氦燃燒枯竭后的漸進(jìn)巨星支階段(AsymptoticGiantBranch)熱脈沖形成行星狀星云和白矮星(m<8m⊙)；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(HecoreflashandHorizontalBranch)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

一、核燃燒因素二．星體