恒星的核燃燒演化

恒星的熱核演化

彭秋和(南京大學天文系)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。一般來說，質(zhì)量愈大的恒星，其中心溫度愈高。例如，對處于穩(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:

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)模熱核燃燒點火條件星體中心溫度核燃燒的點火溫度熱核燃燒的點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動能(考慮隧道效應(yīng))大約等于庫侖位壘高度的(0.5-1)10-3來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。一般來說，質(zhì)量愈大的恒星，其中心溫度愈高。點燃核燃燒的恒星質(zhì)量下限推論:只有當恒星質(zhì)量大於某一確定值時它才可能點燃相應(yīng)的熱核燃燒。隨著參與反應(yīng)的原子核的核電荷增長,其間庫侖位壘迅速增加,上式中的Mnuc也隨之增加。因而，質(zhì)量不太大的恒星內(nèi)部只能點燃某些輕核的熱核反應(yīng)而不能點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。

電子簡并壓強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，其中心密度也隨著進一步增加。所以，對于質(zhì)量太小的恒星(例如，當恒星質(zhì)量低于0.07M⊙時)，當它們的中心溫度尚未上升到氫燃燒的點火溫度

(1.0×107K)時,其物質(zhì)密度也因星體收縮而遠遠超過了電子簡并條件的密度值此后星體內(nèi)電子簡并壓強已足以抗拒星體自引力的壓縮，恒星不再收縮，其中溫度也不會再升高。因而其中心溫度始終低于氫燃燒的點火溫度。這些恒星內(nèi)部也不能點燃前述能源序列中的任何核燃燒。這些恒星的光度遠遠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)量恒星收縮過程中，如果其中心溫度

Tc達到H燃燒大規(guī)模進行的點火溫度附近時，正好物質(zhì)密度也接近或達到上述簡并密度，則由于簡并物質(zhì)中的熱核燃燒是不穩(wěn)定的，它將導致局部爆炸性的H燃燒。不過，它并不會導致整個星體爆炸。近年來在天文觀測上發(fā)現(xiàn)某些低光度恒星亮度出現(xiàn)短暫的閃亮，人們認為它正是這種正在形成的小質(zhì)量恒星在弱(電子)簡并狀態(tài)下氫燃燒開始點火時出現(xiàn)的氫閃現(xiàn)象,稱為耀星。

對于中、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，當溫度達到1×108K(氦燃燒的點火溫度)時,物質(zhì)密度接近電子簡并的臨界密度。簡并物質(zhì)中的熱核燃燒是不穩(wěn)定的，它將導致局部爆炸性的He燃燒—氦閃。此時恒星急劇膨脹成為體積龐大的紅巨星。太陽在50億年以后會經(jīng)歷這個過程,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)燃燒時標(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(無對流)Ne燃燒

20Ne16O,24Mg(Mg-P）1.5E91E6T49(T9=1.5)1E1740天(無對流)幾年(對流)O燃燒

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

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

2)在時標nuc

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

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太陽內(nèi)部主要熱核反應(yīng)—PP反應(yīng)鏈(H-燃燒)太陽中微子問題CNO循環(huán)(中、大質(zhì)量主序星內(nèi)部H-燃燒)太陽R地球

6370公里<><1g/cm3

從很遠處看,太陽是一個黃色的矮星太陽狀況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)太陽能源太陽中心區(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同時釋放26.73MeV的能量。(續(xù))太陽內(nèi)部每秒鐘都有7,750萬噸的氫在這種熱核爆炸過程中轉(zhuǎn)化為氦,正是由于這種熱核燃燒維持著太陽巨大的光度。太陽內(nèi)部大規(guī)模的熱核燃燒已經(jīng)持續(xù)了45億年。估計它還可以這樣穩(wěn)定地再燃燒50億年左右。在恒星世界中太陽是一個普通的恒星。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⊙

對太陽(⊙),穩(wěn)定燃燒

100億年

太陽內(nèi)部主要熱核反應(yīng)—強大的中微子源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——強大的中微子源源反應(yīng)

簡稱

中微子能量

E(MeV)性質(zhì)極大能量平均能量

中微子流量(理論預言)

(在地球處每秒穿過1米2

面積的太陽中微子數(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

從太陽發(fā)射出來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分之一。中微子流量理論預言取自文獻: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)（流體靜力學平衡和熱平衡）。當恒星無法產(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4He的時標僅為10-12s。但它在分裂前有一定概率再吸收一個粒子而轉(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)當核心溫度逐漸升到108K，三alpha反應(yīng)可以進行，則進入另一個演化階段。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)鍵疑難問題核反應(yīng)12C(α,γ)16O

的截面???不確定性達到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國際推薦值)則He燃燒結(jié)束后核產(chǎn)物12C

的豐度超過30%以上，M>8M⊙

的中，大質(zhì)量恒星核心區(qū)將會先后發(fā)生

C燃燒,Ne燃燒和O燃燒。b)如果選取

S0=0.39MeV-barn(德國Mester大學實驗測定值)或S0=0.28MeV-barn(美國Caltech研究小組測定值)

則至少對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程中，這些少量的12C將隨之而燃燒光，不構(gòu)成一個單獨的核燃燒階段。也就是說，它將越過C、Ne(它總伴隨著C燃燒)燃燒階段而直接進入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(作為恒星強大輻射的能源)。M/M⊙最后歸宿質(zhì)量非常小恒星<0.07無核燃燒;引力收縮,引力勢能轉(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)（流體靜力學平衡和熱平衡）。當恒星無法產(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應(yīng)星團的年齡。影響恒星演化的重要物理因素

一、核燃燒因素二．星體