第三篇 太陽和恒星世界(3)恒星形成和演化

1.恒星的形成2.恒星的演化3.恒星的死亡：行星狀星云和超新星第三篇太陽和恒星世界(3)

——恒星的形成及演化一、恒星的形成恒星形成的理論模型恒星形成的觀測證據(jù)1.恒星形成恒星形成于星系旋臂上巨大的、冷的致密星際云。星云的坍縮造成恒星成群形成。星云坍縮、分裂、加熱→原恒星→主序星（一）恒星形成的理論模型

低質(zhì)量恒星的形成過程(1)星際云(interstellarcloud)

星云坍縮，并分裂成小云塊。(2)星云團塊(cloudfragment)

星云仍十分稀薄，熱量可以不受阻礙地散逸，星云內(nèi)的溫度沒有明顯上升。階段觀測天體核心溫度(K)表面溫度(K)核心密度(cm-3)直徑(cm)持續(xù)時間(yr)1星際云101010310192×1062云塊1001010610173×104(3)團塊/原恒星(fragment/protostar) 星云進一步坍縮和分裂，密度上升。 核心區(qū)域變得不透明，溫度迅速上升。 星云停止分裂，云塊開始坍縮。階段觀測天體核心溫度(K)表面溫度(K)核心密度(cm-3)直徑(cm)持續(xù)時間(yr)3云塊/原恒星10410010121015105(4)原恒星(protostar) 原恒星以Kelvin-Helmhotz時標(biāo)收縮，溫度進一步升高。

階段觀測天體核心溫度(K)表面溫度(K)核心密度(cm-3)直徑(cm)持續(xù)時間(yr)4原恒星106300010181013106(5)主序前星(pre-main-sequencestar) 原恒星向主序演化成為主序前星（金牛座T型星），但內(nèi)部溫度還沒有升高到H的點火溫度。階段觀測天體核心溫度(K)表面溫度(K)核心密度(cm-3)直徑(cm)持續(xù)時間(yr)5主序前星5×106400010221012107(6)零齡主序(zero-agemain-sequencestar) 恒星到達主序，熱核反應(yīng)（H燃燒）開始進行，成為零齡主序恒星。光度約為現(xiàn)在太陽光度的2/3。(7)主序星(main-sequencestar) 恒星略微收縮，達到流體靜力學(xué)平衡。階段觀測天體核心溫度(K)表面溫度(K)核心密度(cm-3)直徑(cm)持續(xù)時間(yr)6零齡主序107450010252×10113×1077主序星1.5×107600010261.5×10111010原恒星質(zhì)量(M⊙)0.21.05.015.0原恒星演化時間(yr)1093×1077×1066×104具有不同質(zhì)量恒星的形成

不同質(zhì)量的恒星在形成過程中，在H-R圖上沿不同的路徑演化。 質(zhì)量越高的恒星，其原恒星演化到主序的時間越短，在主序上的位置越高。氣體云的收縮原恒星主序前星零齡主序零齡主序云塊碎裂、輻射M<MCM>MCMC~3-6M⊙2.星云坍縮的觸發(fā)機制激波壓縮 超新星爆發(fā)、熱星輻射或銀河系旋臂轉(zhuǎn)動等過程產(chǎn)生激波。 激波壓縮附近的星云，使其密度增大，觸發(fā)恒星的形成。 恒星形成過程可能類似于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。23TriggeredstarformationbyasupernovaexplosionSaturday,May14,20111.恒星形成區(qū)和原恒星的觀測獵戶星云(M42)，位于獵戶之劍附近，距離約1000ly。

（二）恒星形成的觀測證據(jù)光學(xué)照片。左下方棒形物是受到中心“梯形恒星”(trapeziumstars)輻射電離而發(fā)光的氣體。紅外照片。在右上方有一個明亮的星云，其中的橙色區(qū)域是被恒星星風(fēng)驅(qū)散的氫分子。GasPillarsinM16-EagleNebula

2.原恒星星風(fēng) 原恒星在吸積過程中有強烈的星風(fēng)和噴流。 噴流與周圍星際介質(zhì)相互作用的產(chǎn)生赫比格-哈羅（Herbig-Haro）天體。

GasOutflowsfromYoungStarsXZTauri

HH30

二、恒星的演化§1主序星的演化§2恒星主序后的演化主要內(nèi)容：§1主序星的演化

1.恒星演化的基本原理

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，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！Russell-Vogt原理：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。恒星演化時標(biāo)(1)核時標(biāo)(nucleartimescale)

恒星輻射由核心區(qū)（約1/10質(zhì)量）核反應(yīng)產(chǎn)生的所有能量的時間。

tn=E/L=△Mc2/L≈(1010yr)(M/M⊙)(L/L⊙)-1(2)熱時標(biāo)(thermaltimescale)

恒星輻射自身熱能的時間，或光子從恒星內(nèi)部到達表面的時間。tth＝(0.5GM2/R)/L≈(2×107yr)(M/M⊙)2(R/R⊙)-1(L/L⊙)-1

(3)動力學(xué)時標(biāo)(dynamicaltimescale)

如果恒星的內(nèi)部壓力突然消失，在引力作用下恒星坍縮的時間。td＝R/V≈(27min)(R/R⊙)3/2(M/M⊙)-1/2恒星統(tǒng)計與演化如果相同質(zhì)量的恒星的演化過程基本相同，在H-R圖上恒星的不同類型反映它們處于不同的演化階段。

如果恒星的誕生率和死亡率一致，在H-R圖上某一類恒星數(shù)目的多少就反映了恒星在該演化階段所停留時間的長短。2.主序星的演化主序星的性質(zhì)均勻的化學(xué)組成核心H燃燒質(zhì)量范圍:0.08M⊙<M<~100M⊙

質(zhì)光關(guān)系和質(zhì)量-半徑關(guān)系 L~

M2.5-4,R~

M0.5-1

主序星的演化(1)零齡主序(zeroagemain-sequencestar,ZAMS)剛剛開始核心H燃燒的恒星，在H-R圖上占據(jù)主序帶的最右側(cè)。(2)演化時標(biāo)——核反應(yīng)(41H→4He+γ)

時標(biāo)tn＝η△Mc2/L

≈(1010yr)(M/M⊙)(L/L⊙)-1

≈(1010yr)(M/M⊙)-2.5forM>M⊙or(1010yr)(M/M⊙)-2forM<M⊙不同質(zhì)量主序星的演化時標(biāo)

M(M⊙)30151.00.5tn(yr)2×10610710106×1010主序星的內(nèi)部化學(xué)組成的變化隨著核反應(yīng)的進行，核心區(qū)的H元素豐度逐漸減小，直至枯竭，全部轉(zhuǎn)變成He。§2恒星主序后的演化

低質(zhì)量(M<2.25M⊙)恒星的演化

M＝1M⊙恒星(1)脫離主序——亞巨星支(subgiantbranch)H-R圖：恒星逐漸向右脫離主序。內(nèi)部過程：核心H枯竭，體積膨脹。

(2)紅巨星支(redgiantbranch)H-R圖：恒星向右上方攀升成為紅巨星。內(nèi)部過程：核心H枯竭 →Rc↓→Tc↑

核區(qū)電子簡并→殼層H燃燒→R↑→T↓→在恒星包層，對流傳遞能量→L↑StructureofARedGiant紅巨星時期的地球(3)He閃(Heliumflash)

H-R圖：恒星攀升到紅巨星支的頂點。內(nèi)部過程：核心He開始燃燒（Tc～108K）→Tc↑（簡并→Rc不變）→ε↑→Tc↑→(..)→核心He爆燃(△t~minutes,

L~1011L⊙)→電子簡并解除(4)水平支(horizontalranch)H-R圖：恒星向左下方移動至水平支內(nèi)部過程：核心He（殼層H）燃燒→Rc↑→Tc↓→R↓→T↑(5)漸進巨星支(asymptoticgiantbranch)H-R圖：恒星向右上方再次攀升成為紅超巨星內(nèi)部過程：核心He枯竭（CO核）→Rc↓→Tc↑→殼層He和H燃燒→L↑R↑T↓熱脈沖(thermalpulses)H-R圖：恒星移至漸進巨星支頂點。內(nèi)部過程：殼層He閃（不穩(wěn)定燃燒）→恒星脈動（熱脈沖）→拋射紅巨星的包層（25%-60%質(zhì)量）→行星狀星云+高溫簡并CO核心(6)行星狀星云的CO核心坍縮成白矮星H-R圖：恒星向左方移動。內(nèi)部過程：核心收縮→T↑行星狀星云向外彌散(7)白矮星冷卻H-R圖：恒星向右下方移動。內(nèi)部過程：白矮星冷卻→黑矮星。低質(zhì)量恒星的一生螺旋星云HelixNebula

RingNebula啞鈴星云DumbbellNebulaCat'sEyeNebula

沙漏星云蝴蝶星云TheEskimoNebula

在銀河系一個高度變形的超新星殘體中，可能隱藏著宇宙中最年輕的黑洞。該超新星殘體名為W49B，約有1000年歷史，距離地球大約2.6萬光年（2013年3月）。2．較高質(zhì)量(M>2.25M⊙)恒星的演化

(1)與低質(zhì)量恒星演化的主要區(qū)別恒星內(nèi)部的H燃燒通過CNO循環(huán)進行，內(nèi)部溫度更高，輻射壓對維持恒星的力學(xué)平衡起更大的作用，主序壽命更短。He核不再是簡并的，C和更重元素的燃燒可以進行。核心區(qū)核反應(yīng)產(chǎn)生的能量主要以對流的方式向外傳遞。

在H-R圖上演化軌跡恒星內(nèi)部物理過程1.恒星向右方移動成為紅超巨星。核心H枯竭（He核）→殼層H燃燒。2.恒星向左方移動。核心He平穩(wěn)燃燒→Rc↑→R↓→T↑3.恒星向右上方攀升至紅超巨星。核心He枯竭（CO核）→殼層He和H燃燒→R↑→T↓4.恒星向左方移動，然后折向右下方紅超巨星(熱脈沖、超星風(fēng))→行星狀星云+高溫簡并CO核CO核坍縮→高溫白矮星白矮星冷卻→黑矮星(2)中等質(zhì)量（M＝5M⊙）恒星的演化中等質(zhì)量恒星的演化(3)高質(zhì)量恒星的演化演化表現(xiàn)：O型星→藍超巨星→黃超巨星→紅超巨星→超新星恒星內(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AMassiveStaratTheEndofItsLife核坍縮與超新星爆發(fā)核心核反應(yīng)停止Rc↓Tc↑Fe核光致離解4He光致離解e-+p→n+νe能量損失→Pe↓Rc↓→Tc↑星核坍縮當(dāng)ρc=ρnu，核坍縮停止→激波反彈→殼層拋射→II型超新星爆發(fā)→中子星TypeIIsupernovaeEtaCarinaMonday,April18,2011105高質(zhì)量恒星的一生爆發(fā)機制：Ia超新星爆發(fā)：雙星系統(tǒng)中，吸積白矮星中的C爆燃。Ib/Ic,II型超新星爆發(fā)：大質(zhì)量恒星的核坍縮。(4)超新星(supernovae)和超新星遺跡(supernovaremnants)1054年,超新星AD1054、蟹狀星云Crabnebula和脈沖星

超新星1987A1987.2.23爆發(fā)于LMC(d=170,000ly)，是人類自望遠鏡發(fā)明以來第一顆憑肉眼發(fā)現(xiàn)的超新星。前身星：Sanduleak--69°202，B3I型藍超巨星M~20M⊙，L~105

L⊙，T~16,000K