大質(zhì)量恒星的演化

1、大質(zhì)量恒星的演化大質(zhì)量恒星的演化本講內(nèi)容本講內(nèi)容 大質(zhì)量恒星的主序后演化 超新星與超新星遺跡 元素合成 中子星/脈沖星 黑洞（恒星級） X射線雙星 伽馬射線暴大質(zhì)量恒星的演化1。 大質(zhì)量恒星的演化大質(zhì)量恒星的演化 大質(zhì)量(38Msun)恒星與小質(zhì)量恒星大相徑庭： 光度可達(dá)太陽的數(shù)千甚至數(shù)百萬倍 在短時間內(nèi)消耗巨額核燃料，主序壽命顯著變短 不同的演化和歸宿仍然受相同的物理規(guī)律支配，即引力和壓力的平衡, 以及決定這種平衡的核反應(yīng)率 內(nèi)部溫度更高，恒星內(nèi)部H燃燒通過CNO循環(huán)進行，輻射壓對維持恒星的力學(xué)平衡起更大作用 He核不再簡并，C和更重的元素可以平穩(wěn)燃燒。核心區(qū)核反應(yīng)所產(chǎn)能量主要以對流方式向外

2、傳輸大質(zhì)量恒星的演化主序階段H燃燒：CNO循環(huán)循環(huán) 凈反應(yīng):12C + 41H + 2e- 12C + 4He + 2v + 7 大質(zhì)量恒星主序階段，在H聚變?yōu)镠e的反應(yīng)中， C僅作為一種催化劑 N和O只是中間反應(yīng)產(chǎn)物大質(zhì)量恒星的演化兩類H聚變：溫度的函數(shù) 質(zhì)子鏈和 CNO 循環(huán)這兩種反應(yīng)的產(chǎn)能率是溫度（質(zhì)量）的函數(shù) M 1.5 Msun （T1.8 千萬K）主序恒星，兩類H聚變都在發(fā)生，但CNO循環(huán)遠(yuǎn)比質(zhì)子鏈有效 M 1.5 Msun （T= 8x108 K C 開始燃燒 C燃燒產(chǎn)生大量重元素：鈉、氖、鎂 結(jié)構(gòu)：C核燃燒 + He殼層燃燒 + H殼層燃燒 + 大質(zhì)量恒星的演化重元素依次燃燒重

3、元素依次燃燒 當(dāng)核心C枯竭 氖Ne燃燒 + C、He、H殼層燃燒 + 當(dāng)氖枯竭 氧燃燒 + Ne、C、He、H殼層燃燒 + 當(dāng)氧枯竭 大質(zhì)量恒星的演化演化的大質(zhì)量恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似洋蔥大質(zhì)量恒星的演化脈動變星 Pulsating variable stars 主序恒星是穩(wěn)定的 但主序后恒星并非如此，周期性交替變大變小，視為脈動變星 造父變星（Cepheid variables）：最高質(zhì)量最亮的脈動變星 原型：Delta Cepheid 周光關(guān)系：測量鄰近星系的距離 天琴座RR星變星 （RR Lyrae variables）：不穩(wěn)定的HB星（小質(zhì)量恒星）大質(zhì)量恒星的演化大質(zhì)量恒星的演化大質(zhì)量恒星有

4、高速星風(fēng) Eta Carinae （船底座7） M = 100Msun L = 3x106Lsun HST：拋射的塵埃云在膨脹 恒星基本被周圍塵埃遮擋 目前質(zhì)量丟失率: 10-3Msun/年 19世紀(jì)(第二亮恒星)噴發(fā)：0.1Msun/年；2Msun in 20年 雙星（90 和30Msun）？大質(zhì)量恒星的演化Fe 是熱核聚變所能合成的最重元素 結(jié)合能：把原子核分開所需的能量。不同原子核的結(jié)合能不同 燃燒必須釋放能量：靜能量 = 產(chǎn)物結(jié)合能 反應(yīng)物結(jié)合能Fe原子核的結(jié)合能最大 鐵不會燃燒大質(zhì)量恒星的演化重元素燃燒：高核反應(yīng)率 結(jié)合能的不同 最有效的熱核反應(yīng)是 HHe （0.7%） （HeC 的

5、能量轉(zhuǎn)換效率只有 HHe 的1/10，） 為了平衡引力，低能量轉(zhuǎn)換效率的燃燒，單位時間必須消耗更多的燃料 而且，H 和 He燃燒時，能量以較慢的輻射/對流方式向外傳輸。但C、O、 燃燒時，大量能量則以快速的中微子冷卻方式向外傳輸 恒星向內(nèi)收縮 增加內(nèi)部的密度和溫度 更劇烈的反應(yīng)率 大質(zhì)量恒星的演化核燃燒持續(xù)時間快速減少 對 9 M 恒星： H燃燒 持續(xù)時間 2千萬年 He燃燒 持續(xù)時間 2百萬年 C燃燒 持續(xù)時間 380年 Ne燃燒 持續(xù)時間 1.1年 O燃燒 持續(xù)時間 8月 Si 燃燒 持續(xù)時間 4天 Si 燃燒的能量釋放率是He燃燒的約2億倍！但光度可能僅增加少許（中微子冷卻）大質(zhì)量恒星的

6、演化鐵核開始坍縮 大質(zhì)量恒星中心的Fe核開始坍縮 Fe核的密度、溫度和引力飛速上升 中心Fe核電子簡并為地球大小 當(dāng)電子簡并壓也不能支持引力 Fe核繼續(xù)坍縮到 T = 1010 K，密度 10噸/cm3 10 倍電子簡并支持的白矮星的密度大質(zhì)量恒星的演化鐵核加速坍縮 熱伽馬射線光子 光致離解 Fe 原子核 消耗中心核的巨額熱能 加速Fe核坍縮 巨大的Fe核密度 e-+p n+v 也消耗巨額熱能 加速Fe核坍縮 中微子繼續(xù)帶走能量 加速Fe核坍縮 這些過程發(fā)生時間僅需大約1秒！ Fe核坍縮加速到 70,000km/s ( 1/4 光速)!大質(zhì)量恒星的演化II型（核坍縮）超新星爆發(fā) Type II

7、 supernova 當(dāng)core = 原子核，強核力變?yōu)槌饬?，核坍縮停止 下落物質(zhì)造成反彈激波向外傳播 在極端條件下，約1/5 核物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹形⒆?1秒鐘內(nèi))。由于高密度，一小部分中微子被滯留在激波后 在核的周圍形成一個氣泡(極端熾熱氣體和強烈輻射） 氣泡的壓力增加了向外運動激波的強度 在約1分鐘后激波到達(dá)He殼層, 1小時到達(dá)并加熱恒星表面(T=500,000K) 以約30,000km/s 拋射殼層物質(zhì) 演化后的大質(zhì)量恒星以II 型超新星爆炸 （合成比鐵重的元素） 核以中子星（或黑洞）的形式遺留下來大質(zhì)量恒星的演化特大質(zhì)量恒星的演化：特大質(zhì)量恒星的演化：Ib/IcIb/Ic型超新星型超新星

8、特大質(zhì)量（特高光度）恒星通常有伴隨強烈的高速星風(fēng)，如沃爾夫-拉葉(WR)星 星風(fēng)引起很高的質(zhì)量損失率： 10-6-10-4 M yr-1 Ib/Ic型（核坍縮）超新星爆發(fā) 中子星/黑洞Nebula M1-67 around star WR124大質(zhì)量恒星的演化不同質(zhì)量恒星的演化結(jié)局大質(zhì)量恒星的演化2。超新星與超新星遺跡。超新星與超新星遺跡 后漢書-天文志關(guān)于公元185年半人馬座超新星的歷史記載是目前世界上最早的超新星記錄大質(zhì)量恒星的演化歷史上的超新星爆發(fā)時間 (AD) 亮度極大視星等 發(fā)現(xiàn)者 遺跡185 ?8中國天文學(xué)家RCW 86386中國天文學(xué)家SNR G11.2-0.33931中國天文學(xué)

9、家RX J1713.7-3946?837 ?8 ?中國天文學(xué)家IC 443100610中國、其他國SN 1006 Ia型10545中/日/阿天文學(xué)家Crab Nebula11811中/日天文學(xué)家3C 581320？無記錄RX J0852.0-462215724Tycho BraheTycho16043KeplerKepler1667-1680？5 ?John lamsteedCas A1987+2.9Ian SheltonSN 1987A大質(zhì)量恒星的演化超新星的命名 SN+年份+A, B, ., Z 例如 SN 1987A SN+年份 + aa, ab,az； ba,bz；，za,zz 例如

10、SN 1998bu 目前，每年發(fā)現(xiàn)大約200顆大質(zhì)量恒星的演化超新星的主要特征 光度： L107-1010 L 爆發(fā)能 E1047-1052 ergs（其中中微子占99%，動能占 1% ，可見光輻射占 0.01%） 膨脹速度 v103-104 kms-1 產(chǎn)物：膨脹氣殼（超新星遺跡）+ 致密天體（中子星脈沖星或黑洞） Ia型無致密殘骸 正是超新星的拋射物（沖擊波）加熱星際介質(zhì)和推動星云 觸發(fā)新一代恒星的形成 威脅地球的定時炸彈！大質(zhì)量恒星的演化超新星的觀測分類超新星的觀測分類 由譜線特征分類： I型(Ia, Ib/Ic)：無H線 II型：有H線 光變曲線不同 Ia型：彼此非常相似 II型：彼此

11、相差很大大質(zhì)量恒星的演化超新星的爆發(fā)機制 Ia（熱核）超新星：小質(zhì)量雙星系統(tǒng)中吸積白矮星的C（He，O）爆燃 Ib/Ic, II型（核坍縮）超新星：大質(zhì)量恒星的核坍縮大質(zhì)量恒星的演化超新星1987A SN 1987A（II型） 1987.2.23爆發(fā)于銀河系的一個小的伴星系大麥哲倫云中( 距離160,000光年，靠近南天極) 望眼鏡發(fā)明（400年）以來第一顆肉眼發(fā)現(xiàn)的超新星前身星：Sanduleak B3 I 蘭超巨星：M20ML105LT16,000K,R40R大質(zhì)量恒星的演化SN1987A：光變曲線 自初閃100天連續(xù)增量到最亮約3等星 然后快速變暗大質(zhì)量恒星的演化SN1987A的中微子探

12、測超新星爆發(fā)的大部分能量被中微子帶走 中微子輻射能51053 ergs 輻射51058個中微子 爆發(fā)前20小時中微子流量51014 m2在爆發(fā)前1.8-3小時，日本神岡II和美國IMB的探測儀測量到19個中微子（爆發(fā)）2002諾貝爾物理學(xué)獎（一半）大質(zhì)量恒星的演化超新星遺跡 Supernova Remnants（SNR） 超新星爆發(fā)所拋出的大量物質(zhì)在向外運動膨脹過程中與星際物質(zhì)和磁場相互作用而形成的氣體星云 是強射電輻射和高能輻射源（同步加速輻射，激波加熱） 年齡 =10 M )恒星內(nèi)部的核反應(yīng)過程在恒星中心形成Fe核II 型超新星爆發(fā)，F(xiàn)e核坍縮形成中子星，觀測為脈沖星大質(zhì)量恒星的演化中子星

13、可以看成一個巨原子核中子星可以看成一個巨原子核 由1057 個核子構(gòu)成，特征質(zhì)量 M 1.4 M 中子處于簡并狀態(tài)，在中子星內(nèi)部支撐星體與引力抗衡的是中子簡并壓力 中子質(zhì)量是電子的1840倍，更高密度才簡并，中子星半徑比白矮星小得多，特征半徑10 km，密度比白矮星大得多（10 億倍） 與一般恒星相比，中子星的溫度很高大質(zhì)量恒星的演化中子星的質(zhì)量上限中子星的質(zhì)量上限 質(zhì)量-半徑關(guān)系：中子星質(zhì)量越大，半徑越小 中子星也應(yīng)有一個質(zhì)量上限。但由于不了解極高密度的物態(tài)，所以質(zhì)量的理論上限不確定，估計為3 M （奧本海默Oppenheimer極限質(zhì)量） 3Msun M 1.4Msun大質(zhì)量恒星的演化中子

14、星的結(jié)構(gòu)中子星的結(jié)構(gòu)106 gcm-3 41011gcm-3 2 1014gcm- 3 1015gcm-3 表層大氣 cm（沒顯示） 外殼 0.3 km, 固態(tài)金屬（Fe, e） 內(nèi)殼 0.6 km, 原子核、游離中子、電子 內(nèi)部：超流中子和超導(dǎo)質(zhì)子 核心: 超子/奇異物質(zhì)？（夸克）中子星密度：10億噸/立方厘米!大質(zhì)量恒星的演化脈沖星脈沖星 Pulsars 1967年劍橋大學(xué)穆拉德射電天文臺研究生Jocelyn Bell （貝爾）利用 A. Hewish（休伊什）領(lǐng)導(dǎo)研制的射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了第一顆射電脈沖星PSR 1919+21 PSR：Pulsating Source of Radio 脈沖

15、周期 P1.3373 秒Hewish was awarded Nobel Prize in Physics 1974大質(zhì)量恒星的演化“ 小綠人”（如今成為宇宙探索的重要對象） 貝爾又找到3個脈沖星，脈沖周期都是1秒左右（其中一顆名叫PSR 095008的脈沖周期僅0.25秒） 任何已知天體的輻射都不會是這樣的短周期脈沖。這個脈沖信號強弱變化，很像電報 休伊什提出可能是在太陽系外圍繞恒星作軌道運動的行星上的“ 小綠人”發(fā)出的信號 曾給新發(fā)現(xiàn)的脈沖星取名為：小綠人（LGM）1、2、3、4號大質(zhì)量恒星的演化貝爾在回顧脈沖星的發(fā)現(xiàn)時如是說： “ 我在搞一項新技術(shù)以取得博士學(xué)位，可一幫傻呼呼的小綠人卻選

16、擇了我的天線和我的頻率來同我們通訊，但很快斷定射電脈沖不是外星人的信號，而是來自特殊天體?！?后來稱作“脈沖星” 貝爾并沒有和其導(dǎo)師一起獲得1974年諾貝爾物理學(xué)獎！大質(zhì)量恒星的演化脈沖星模型：傾斜的自轉(zhuǎn)磁中子星 中子星有很強的磁場，磁軸與自轉(zhuǎn)軸傾斜，沿著磁軸發(fā)射的輻射束隨著中子星自轉(zhuǎn)，就像燈塔的光束掃射那樣，當(dāng)它掃過地球方向時，就觀測到一個脈沖（1968年T.Gold）。中子星每自轉(zhuǎn)一周，輻射束掃過地球一次，因此脈沖周期就是中子星的自轉(zhuǎn)周期大質(zhì)量恒星的演化其它波段輻射也脈沖 又發(fā)現(xiàn)射電脈沖星的光學(xué)、X射線和伽馬射線脈沖，脈沖周期一致大質(zhì)量恒星的演化1968年發(fā)現(xiàn)位于船帆座超新星遺跡中的脈沖星

17、PSR 0833-45和蟹狀星云中的脈沖星PSR 0531+21，射電脈沖周期分別為89 ms和33 msCrab pulsar off and onVela pulsar大質(zhì)量恒星的演化脈沖周期的基本特征 脈沖周期（0.03-4.3秒）穩(wěn)定（像銫原子鐘）。脈沖持續(xù)時間：0.001-0.05秒 脈沖周期隨時間緩慢增長（如Crab PSR0531+21: 3.6x10-8 s/day）自轉(zhuǎn)越來越慢 脈沖越短，射電脈沖星應(yīng)越年輕?？捎膳c超新星遺跡成協(xié)確定年齡： 1054超新星，脈沖星 PSR0531+21年齡958年，很年輕，脈沖周期很短 船帆座超新星遺跡年齡約11000年，脈沖星PSR0833-

18、45，也很年輕，脈沖周期也很短大質(zhì)量恒星的演化脈沖星雙星 1974年，泰勒(J. Taylor)和赫爾斯(R. Hulse)發(fā)現(xiàn)第一顆雙（中子）星射電脈沖星PSR1913+16 軌道周期減?。篸Porb/dt = -7.6 105 s yr-1，每年軌道減小約3.5米大質(zhì)量恒星的演化脈沖星第二個諾貝爾獎 雙中子星繞轉(zhuǎn) 引力波輻射 能量和角動量損失 雙星軌道收縮 廣義相對論的間接驗證：加速運動質(zhì)量產(chǎn)生引力波 1993年泰勒和赫爾斯獲諾貝爾物理學(xué)獎近星點的累積移動大質(zhì)量恒星的演化5。黑洞黑洞 Black Holes (BH) 超新星爆發(fā)后，如果恒星剩余質(zhì)量超過 3個太陽質(zhì)量(?)，中子簡并壓力也不

19、足以抵抗向內(nèi)的引力 這時在已知的物理理論里面，再沒有更強的力足以抗衡引力，恒星殘骸只有不斷坍縮，最終成為一個奇點的黑洞大質(zhì)量恒星的演化黑洞的牛頓理解：逃逸速度circescRGM22大質(zhì)量恒星的演化黑洞的牛頓理解：逃逸速度 如果一個天體表面逃逸速度大于光速，那么宇宙中包括光在內(nèi)的一切都不能逃離其引力的束縛，這個天體便成為黑洞cRGMv2/1esc)2(2.96105 cm (M/M) (對太陽 3km)2g2cGMR引力半徑：大質(zhì)量恒星的演化黑洞的愛因斯坦理解：時空彎曲 質(zhì)量越大，引力場越強，時空彎曲越強 光線在通過大質(zhì)量天體附近時不會直線行進大質(zhì)量恒星的演化黑洞的愛因斯坦理解：時空彎曲 一個

20、天體越坍縮，其表面附近的時空就越彎曲，則光線彎曲程度也越大。當(dāng)坍縮到光線因時空彎曲而無法逃逸時就成為黑洞。而遠(yuǎn)處時空不受任何影響正常恒星“坍縮”為黑洞大質(zhì)量恒星的演化黑洞周圍的時空彎曲最大 黑洞是彎曲時空的一個奇點 (1/R) ，它是一個無限深的引力勢井大質(zhì)量恒星的演化黑洞的奇點 “黑洞中心”稱為奇點：零半徑，無限大密度？ 更精確的表述： 因為支持奇點的物理定律未知，不知道那里在發(fā)生著什么，科學(xué)在那里崩潰！ 奇點: 裸? 不裸? 不裸: 被一個事件視界包裹則為黑洞大質(zhì)量恒星的演化視界 Event horizon 黑洞中心的奇點永不可見，不可理解 距離黑洞越近，逃逸速度（時空彎曲）越大 逃逸速度

21、=光速（光線“環(huán)繞”）的球面稱為視界：在視界內(nèi)的任何信息（物質(zhì)和光）無法向外傳遞大質(zhì)量恒星的演化視界的性質(zhì) 黑洞的視界把其周圍的時空分為兩部分，物質(zhì)和輻射能從視界外進入其內(nèi)，但不能反過來 黑洞的視界是絕對的，它是時空的分界線，與觀測者無關(guān) 黑洞的視界把所有的事件分為兩類：在視界以外，可用光信號相互聯(lián)系；而在視界以內(nèi)，光線都朝中心會聚 視界就是事件能被探知的極限大質(zhì)量恒星的演化黑洞“半徑”：視界的大小 視界是有去無返的分界線，其大小與黑洞的質(zhì)量成正比 不轉(zhuǎn)的電中性的黑洞稱為史瓦西Schwarzschild黑洞，其視界的大小=引力半徑，稱為史瓦西半徑：SunsgCGMRRMM km 3221 Ms

22、un BH: 3km1 MEarth BH: 1cm大質(zhì)量恒星的演化旋轉(zhuǎn)黑洞 旋轉(zhuǎn)黑洞又稱為克爾(Kerr)黑洞，與靜止黑洞很不同 旋轉(zhuǎn)黑洞有內(nèi)外兩個視界，它們之間的區(qū)域稱為能層 ergosphere 能層內(nèi)的物質(zhì)會被黑洞自轉(zhuǎn)所帶動，但能逃離黑洞；內(nèi)視界內(nèi)的一切無法逃出靜界大質(zhì)量恒星的演化黑洞無毛發(fā)定理 No Hair Theorem 任何物體都有復(fù)雜性：恒星的質(zhì)量、光度、大小、密度、磁場、化學(xué)成份 黑洞是最簡單的統(tǒng)一的整體，黑洞幾乎不保持形成它的物質(zhì)所具有的任何復(fù)雜性質(zhì)（一旦進入視界，信息全無），談?wù)摵诙磧?nèi)物質(zhì)的特性毫無疑義 黑洞保持的物理參數(shù)只有質(zhì)量、角動量和電荷，即可描述黑洞的全部特征，

23、即無毛發(fā)定理 (“三毛定理”)大質(zhì)量恒星的演化黑洞的輻射(蒸發(fā)) (Hawking radiation) 量子力學(xué)：真空中的能量漲落產(chǎn)生正反（虛）粒子對 如果在視界附近，反粒子被吸收，黑洞質(zhì)量減少；正粒子逃逸，帶走能量 霍金蒸發(fā)（輻射）大質(zhì)量恒星的演化黑洞不太黑 黑洞輻射具有黑體輻射的一切特征 黑洞視界面的溫度、黑洞的能損率和壽命 但輻射很弱到通?？梢院雎?3 Msun BH, T2x10-8 K 1.6x10-29 瓦 黑洞能量蒸發(fā)的能量釋放率與質(zhì)量平方成反比 壽命與質(zhì)量立方成正比 當(dāng)M = 1 M, 10-20焦耳/年，t1067 yr； 當(dāng)M = 1012 g, 6x109焦耳/秒，t1

24、010 yr 宇宙極早期形成的小黑洞應(yīng)已經(jīng)蒸發(fā)掉 ( LHC? )大質(zhì)量恒星的演化黑洞：間接的觀測證據(jù) 黑洞輻射幾乎不可能成為“看見”黑洞的有用工具 黑洞通過自身的引力效應(yīng)間接表明自身的存在 兩種系統(tǒng)存在黑洞的強大的間接證據(jù)： X射線雙星系統(tǒng)中的恒星級質(zhì)量黑洞 Stellar black holes （10 M ） 星系中心的超大質(zhì)量黑洞 Supermassive black hole （SMBH，106 109 M） 超亮X射線源（ULX）：中等質(zhì)量黑洞（IMBH，103 104 M） ？大質(zhì)量恒星的演化尋找恒星級黑洞 途徑：搜尋質(zhì)量（遠(yuǎn)）超過中子星質(zhì)量上限（3 M）的致密星 確定致密天體性質(zhì)（半徑）：X射線輻射的時變 確定致密天體質(zhì)量：雙星軌道運動 X射線雙星大質(zhì)量恒星的演化6。X射線雙星 (X-ray binaries) 由致密星 (中子星或黑