恒星的诞生、发展和死亡 －II (1) 恒星诞生 (2) 恒星结构和演化

恒星研究 恒星的诞生 ( 很短时间 ) 恒星的演化 ( 大约90%以上的时间 ) 恒星的死亡 ( 很短时间 ) 天文学基础－恒星

( 1 ) 恒星的诞生 恒星形成是目前恒星物理的基本问题之一，也是难点之一。尤其是大质量恒星的形成机制，仍然有不同的观点。 观测表明，恒星诞生于分子云中。 天文学基础－恒星

星云  很稀薄 由气体和尘埃组成，主要成分是氢 星云本身不发光 空气： 1019 原子 / 立方厘 米 空气： 1019 原子 / 立方厘 米 真空： 107 原子 / 立方厘米 星云： 1000 原子 / 立方厘米 星际空间：1 原子 / 立方厘米 由气体和尘埃组成，主要成分是氢 星云本身不发光 天文学基础－恒星

Orion star formation region Upper Scorius assosiation 猎户座OMC-1区 Orion star formation region Upper Scorius assosiation 天文学基础－恒星

气体星云 鹰星云 锥状星云 天文学基础－恒星

气体星云中形成恒星 星际云可以极度庞大和拥有极大质量，直径可达一千光年，质量相等于十个至一千个太阳质量。 在不受干扰的情况下，这些星际云是稳定的。 干扰可以来自星系碰撞、盘状星系所产生的密度波、超新星爆发的激波，甚或在附近诞生的恒星 。 天文学基础－恒星

原恒星 (年轻恒星,YSO) 星际云中轻微的密度变化，皆会引致星云产生重力收缩，最后形成一个称为原恒星的球体。 原恒星深埋在气体和尘埃中，辐射在红外波段。 原恒星会有吸积盘和喷流。 天文学基础－恒星

观测证据 这些喷流不会长久存在 。假若气体和尘埃把新生恒星完全覆盖，我们便看不到中心的恒星，而只能看到喷流在两边所造成的云团。 天文学基础－恒星

恒星形成的观测证据： 存在大量大质量、高光度的O、B主序星。它们的寿命 < 107 yr << 银河系年龄(1010 yr) 存在星协，如OB星协，T星协。它们分布在星云内部或附近。大小30－200pc 。是有年轻恒星组成的。 星云年轻恒星的发现，如HH天体。BN天体，KL源等 天文学基础－恒星

原恒星的收缩 如果一颗原恒星的质量只是比行星大少 许，成为昏暗而难以被发现的褐矮星。 如果原恒星质量足够大(下限约为0.1个太阳质量），它的进一步收缩会点燃中心的核聚变，成为一颗真正的恒星。 原恒星的吸积盘最后塌缩成围绕这颗恒星运行的行星 。 天文学基础－恒星

向内的引力 > 气体内部压力（热和湍流） 恒星形成的理论基础： 金斯(Jeans)不稳定： 向内的引力 > 气体内部压力（热和湍流） 金斯质量 n 数密度/cm3 M > MJ 时，分子云碎裂 中性氢云： 1/cm3， T=100 K， MJ~3×104 M0 暗分子云：106/ cm3 ，T=10 K， MJ ～ 1 M0 天文学基础－恒星

恒星形成过程示意图 天文学基础－恒星

分子云中小质量恒星的形成 106 K,3000K 1018/cm3 10 K,106/cm3 100K,1012/cm3 天文学基础－恒星

不同质量恒星的形成 小质量恒星(一般以一个太阳质量为界)： 星云塌缩，原恒星盘，外流，吸积 大质量恒星： 星云塌缩，吸积盘 小质量恒星并合 天文学基础－恒星

>7Ms 原恒星盘 BN 天体，Orion 分子云 Nature 2005，437 天文学基础－恒星

( 2 ) 恒星结构和演化 基本任务 恒星的能源 主序恒星的质光关系 赫罗图(恒星和星团) 恒星集中在几个主要的区域 恒星的光谱型(有效温度)与绝对星等相关 天文学基础－恒星

1. 恒星的能源：核燃烧 热核反应理论解决了恒星能源问题 大多数恒星内部的核反应分为两类： 反应取决于温度 (1.0×107 K以上 ) 1. 恒星的能源：核燃烧 热核反应理论解决了恒星能源问题 大多数恒星内部的核反应分为两类： 质子 — 质子反应链 (Proton-Proton Chains) 碳氮氧循环(CNO cycle) 反应取决于温度 (1.0×107 K以上 ) 天文学基础－恒星

恒星内部核燃烧 小质量恒星 大质量恒星 天文学基础－恒星

恒星的能源：核燃烧 氢(H)燃烧 (1.0×107 K ) ： 主序恒星, 合成元素：He 氦(He)燃烧 (1.0×108 K )： 氢燃烧结束，恒星离开主序, 合成元素：C,N,O 碳(C) 燃烧 (5－10)×108 K 氧(O) 燃烧 (1－2)×109 K 氖(Ne)，硅(Si)，镁(Mg) 等燃烧 聚合成Fe以内的重元素 更重的元素通过超新星爆发合成 天文学基础－恒星

恒星内部结构 (以太阳为例) Core : 核心 Radiative Zone : 辐射区 Convection Zone : 对流层 Corona : 日冕 Chromosphere : 色球 Prominence: 日珥 Sunspot: 太阳黑子 Photosphere: 光球 天文学基础－恒星

太阳表面活动 太 阳 大 气 光球 ：米粒、超米粒、黑子、光斑、白光耀斑 色球 ：光斑、谱斑、耀斑、日珥、针状物、 冲浪、细链、色球网络等 日冕 ：冕洞、冕流、极羽、凝聚区、CME、 太阳风 太 阳 大 气 天文学基础－恒星

太阳耀斑 米粒与黑子 日珥 天文学基础－恒星

日冕 色球（红色）与日珥 天文学基础－恒星 太阳表面结构

恒星演化模型 理论预言 目的：研究恒星内部各物理量的分布及其随时间 的演化。 方法： 简化假设 方程组 物质函数 观测 比对 观测比对 简化假设 方程组 物质函数 理论预言 观测 比对 观测比对 天文学基础－恒星

基本方程组（I）  简化假设： 球对称结构； 恒星是稳定的；  隔离法 天文学基础－恒星

2. 恒星的结构与演化 ▲ 保持恒星平稳演化的机制： 恒星的诞生： 引力坍缩 分子云 恒星 恒星的演化： 与自身引力相抗争的过程。 2. 恒星的结构与演化 恒星的诞生： 引力坍缩 分子云 恒星 恒星的演化： 与自身引力相抗争的过程。 ▲ 保持恒星平稳演化的机制：  引力能和内部压力的平衡 (核能) 天文学基础－恒星

基本方程组（II）  流体静力学平衡： 引力 压力  能量平衡： 内部产能率 能量损失率 （如：核反应、收缩等） （辐射） 引力 压力  能量平衡： 内部产能率 能量损失率 （如：核反应、收缩等） （辐射）  能量的传输： A. 方式 ：对流、辐射、热传导 B. 不透明度 ：辐射传能的快慢 天文学基础－恒星

热核反应：恒星中心 原子聚合反应：几个轻原子核聚合为重原子核的反应。 质能方程： E＝mc2 质量亏损：聚合反应中损失的质量。 热核反应：由热运动引发的核反应。 A. 必要条件：核力作用范围内； B. 速率很小，与温度有关。 天文学基础－恒星

决定恒星的演化 的主要因素 原恒星质量越小，它收缩成为恒星的时间越长。 恒星初始质量的大小决定了恒星在主序的初始位置和脱离主序以后的演化轨迹 天文学基础－恒星

决定恒星的演化 的主要因素是恒星质量 若恒星质量小于太阳质量的1.1倍，核聚变以p-p 链进行，恒星会有辐射核心和一个对流外壳。 若星体质量更大，核聚变以 CNO 循 环 的方式进行。CNO 循环的反应比较快，可以产生更多能量，这些恒星会有一个对流核心和辐射外壳。 天文学基础－恒星

恒星质量越大，主序寿命越短。 天文学基础－恒星

小质量星的演化 (1) 初始阶段 当核心氢气燃烧殆尽之后，剩下的氦核心便会开始塌缩并产生热，紧邻核心的氢外壳会被加热而开始有热核反应，恒星亦同时膨胀。由于总表面面积的增加，恒星会变得极之光亮。虽然核心仍保持炽热，但膨胀令表面温度下降，结果星光变红，最后演化为一颗红巨星。 天文学基础－恒星

地球、太阳（现在）和典型红巨星的大小比较 天文学基础－恒星

小质量星的演化 (2) 红巨星以后 所有红巨星都是变星，当外壳不断膨胀，氦核心同时不断收缩加热，直至足以燃烧氦 (我们称之为氦闪)为止。由于这时燃烧氢和氦的过程并不稳定，星体除了会不断脉动外，更会产生强劲的恒星风把外壳「吹掉」。最后整个外壳会被抛出外太空，成为行星状星云。 天文学基础－恒星

美丽的行星状星云 天文学基础－恒星

小质量星的演化 (3) 最后的归宿 由于核心热力不足以把碳点燃起来，所以当所有氢和氦皆告用尽时，恒星便会开始收缩，并变得越来越暗，最后成为白矮星。这时候，电子简并压力成为了抵抗恒星进一步塌缩的主要力量。 天文学基础－恒星

小质量恒星的主序后演化总结 M < 2 M ⊙ 天文学基础－恒星

小质量星的演化 HR图上轨迹 天文学基础－恒星

大质量恒星的演化 M > 2 M ⊙ 与小质量恒星演化的主要差别： ● 恒星内部的 H 核燃烧通过 CNO 循环进行，内部温度更高， 辐射压对恒星的力学平衡起更重要的作用，主序寿命更短 ● 核反应的能量主要以对流的方式向外传递 ● 可以点燃 C,N,O 等更重的元素核燃烧 ● 最后的演化结局不同 宇宙中大部分的重元素来自 ▲ 大质量恒星的内部核燃烧 ▲ 超新星爆发瞬时核合成 天文学基础－恒星

大质量恒星的主序后演化 M ＝15 M ⊙ 天文学基础－恒星

大质量恒星的主序后演化 核心温度(K) 核心 壳层 内部物理过程 H 枯竭 H燃烧开始 (1－2)×108 He 燃烧，He 枯竭 (5－10)×108 C 燃烧，C 枯竭 C燃烧，He燃烧，H燃烧 > (1－2)×109 O，Ne，Si 燃烧 。。 Fe 核形成 重元素壳层 Fe 燃烧，吸热，核心塌缩 超新星爆发 天文学基础－恒星

大质量恒星的演化 内部成分 天文学基础－恒星

大质量星的演化 天文学基础－恒星

Fe 核燃烧 Fe 核燃烧会吸收热量核心将会塌缩，以灾变形式结束恒星的一生  超新星爆发 天文学基础－恒星

恒星的最后归宿 WD ：White Dwarf，白矮星 NS ：Neutron Star，中子星 BH ：Black Hole， 黑洞 < 0.08 M⊙ ：H 未燃烧，H白矮星（ WD） 0.08 －3.0 M⊙ ：C 未燃烧，C 白矮星（WD） 3－8 M⊙ ：C 爆发燃烧型超新星，爆发，白矮星 8－30 M⊙ ：超新星爆发，留下中子星（NS） 30－100 M⊙ ：塌缩成为黑洞 WD ：White Dwarf，白矮星 NS ：Neutron Star，中子星 BH ：Black Hole， 黑洞 恒星归宿 天文学基础－恒星

白矮星和中子星的尺度 天文学基础－恒星

恒星演化总结 遗迹质量 天文学基础－恒星