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1、恒星的演变第1页，共81页，编辑于2022年，星期日3.1 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总是试图处于稳定状态（流体静力学平衡和热平衡）。当恒星无法产生足够多的能量时，它们就无法维持热平衡和流体静力学平衡，于是开始演化。恒星的一生就是一部和引力斗争的历史！第2页，共81页，编辑于2022年，星期日Russell-Vogt 原理如果恒星处于流体静力学平衡和热平衡，而且它的能量来自内部的核反应，它们的结构和演化就完全唯一地由初始质量和化学丰度决定。第3页，共81页，编辑于2022年，星期日恒星演化时标(1)核时标(nuclear timescale)恒星辐射由核心区（约1
2、/10质量）核反应产生的所有能量的时间。tn E/L Mc2/L 0.7%0.1Mc2/L (1010 yr)(M/M)(L/L)-1第4页，共81页，编辑于2022年，星期日(2)热时标(thermal timescale)恒星辐射自身热能的时间，或光子从恒星内部到达表面的时间。tth (0.5GM2/R)/L (2107yr)(M/M)2(R/R)-1(L/L)-1(3)动力学时标(dynamical timescale)如果恒星的内部压力突然消失，在引力作用下恒星坍缩的时间。td R/V (R3/GM)1/2 (27 min)(R/R)3/2(M/M)-1/2第5页，共81页，编辑于20
3、22年，星期日恒星统计与演化如果相同质量的恒星的演化过程基本相同，在H-R图上恒星的不同类型反映它们处于不同的演化阶段。如果恒星的诞生率和死亡率一致，在H-R图上某一类恒星数目的多少就反映了恒星在该演化阶段所停留时间的长短。第6页，共81页，编辑于2022年，星期日2.主序星的演化主序星的性质l均匀的化学组成 l核心H燃烧 l质量范围:0.08 M M M or(1010 yr)(M/M)-2 for M M第8页，共81页，编辑于2022年，星期日不同质量主序星的演化时标 M(M)30151.00.5tn(yr)2106107101061010第9页，共81页，编辑于2022年，星期日主序星
4、的内部化学组成的变化随着核反应的进行，核心区的H元素丰度逐渐减小，直至枯竭，全部转变成He。第10页，共81页，编辑于2022年，星期日主序带：主序星从核心H燃烧开始到结束在H-R图上占据的带状区域演化路径核反应核心区粒子数nP c 核心收缩R c 核心区温度Tc，核反应产能率 光度L 包层压力P 恒星半径R第11页，共81页，编辑于2022年，星期日3.2 恒星主序后的演化 1.低质量(M 2.25M)恒星的演化(1)与低质量恒星演化的主要区别 恒星内部的H燃烧通过CNO循环进行，内部温度更高，辐射压对维持恒星的力学平衡起更大的作用，主序寿命更短。He核不再是简并的，C和更重元素的燃烧可以进
5、行。核心区核反应产生的能量主要以对流的方式向外传递。第29页，共81页，编辑于2022年，星期日在H-R图上演化轨迹恒星内部物理过程1.恒星向右方移动成为红超巨星。核心H枯竭（He核）壳层H燃烧。2.恒星向左方移动。核心He平稳燃烧RcRT 3.恒星向右上方攀升至红超巨星。核心He枯竭（CO核）壳层He和H燃烧 RT 4.恒星向左方移动，然后折向右下方(?)红超巨星(热脉冲、超星风)行星状星云+高温简并CO核CO核坍缩高温白矮星白矮星冷却黑矮星(2)中等质量（M5M）恒星的演化第30页，共81页，编辑于2022年，星期日5M恒星的演化第31页，共81页，编辑于2022年，星期日中等质量恒星的演
6、化第32页，共81页，编辑于2022年，星期日(3)高质量恒星的演化演化表现：O型星蓝超巨星黄超巨星红超巨星超新星 第33页，共81页，编辑于2022年，星期日恒星内部物理过程：核心H枯竭壳层H燃烧核心He燃烧核心He枯竭壳层He和H燃烧核心C燃烧核心C枯竭壳层C、He和H燃烧O,Ne,Si燃烧 Fe核第34页，共81页，编辑于2022年，星期日A Massive Star at The End of Its Life第35页，共81页，编辑于2022年，星期日核坍缩与超新星爆发核心核反应停止R cTcFe核光致离解 4He光致离解e-+p n+e能量损失 PeR cTc星核坍缩当c=nu，核
7、坍缩停止激波反弹 壳层抛射 II型超新星爆发中子星第36页，共81页，编辑于2022年，星期日Sequence of Events in a Supernova Explosion第37页，共81页，编辑于2022年，星期日Type II supernovae第38页，共81页，编辑于2022年，星期日超新星爆发的数值模拟第39页，共81页，编辑于2022年，星期日(4)特大质量恒星的演化星风引起的质量损失和恒星演化。高光度恒星通常有很强的星风10-6-10-4 Myr-1 如沃尔夫-拉叶(WR)星。演化过程O型星蓝超巨星（红超巨星）WR星Ib/Ic型超新星+中子星/黑洞第40页，共81页，编
8、辑于2022年，星期日高质量恒星的一生第41页，共81页，编辑于2022年，星期日(5)超新星(supernovae)和超新星遗迹(supernova remnants)II/Ib/Ic型超新星高质量恒星在演化末态发生的剧烈爆炸。星系M 51中的SN 1991T第42页，共81页，编辑于2022年，星期日 特征：光度L107-1010 L，Lf/LI 108 爆发能E1047-1052 ergs-1（99%中微子，1%动能，0.01%可见光）膨胀速度v103-104 kms-1 产物：膨胀气壳（超新星遗迹）+致密天体（中子星或黑洞）SN 1998aq in the galaxy NGC 398
9、2第43页，共81页，编辑于2022年，星期日 历史超新星 爆发时间(AD)光度极大星等发现者遗迹185?-8中国天文学家RCW 86393-1中国天文学家837?-8?中国天文学家IC 4431006-10中/阿天文学家SN 10061054-5中/日天文学家Crab Nebula1181-1中/日天文学家3C 581572-4Tycho BraheTycho1604-3KeplerKepler16805?John lamsteedCas A1987+2.9Ian SheltonSN 1987A第44页，共81页，编辑于2022年，星期日分类：I型（Ia,Ib/Ic）无H线；II型有H线光变
10、曲线不同第45页，共81页，编辑于2022年，星期日爆发机制：Ia超新星爆发：双星系统中，吸积白矮星中的C爆燃。Ib/Ic,II型超新星爆发：大质量恒星的核坍缩。第46页，共81页，编辑于2022年，星期日TWO TYPES OF SUPERNOVAESupernova TypeType IaType IIMaximum Luminosity3 x 109 L3 x 108 LSpectrumNo H lines Lines of many heavy elementsHydrogen linesParent StarWhite dwarf in binary systemMassive st
11、ar Trigger mechanismMass transfer from companionCollapse of iron coreExplosion mechanismThermonuclear explosion of C/O core ironRebound shock from neutron star surface:neutrino pressureLeft behindNothingNeutron starDebrisMostly ironAll kinds of elements第47页，共81页，编辑于2022年，星期日超新星1987A1987.2.23爆发于LMC(d
12、=170,000 ly)，是人类自望远镜发明以来第一颗凭肉眼发现的超新星。前身星：Sanduleak-69202，B3 I型蓝超巨星M 20 M，L 105 L，T 16,000 K，R 40R第48页，共81页，编辑于2022年，星期日超新星1987A的光变曲线第49页，共81页，编辑于2022年，星期日在爆发前1.8-3小时，日本Kamioka和美国IMB的的探测仪测量到19个中微子超新星1987A的中微子探测超新星爆发的大部分能量被中微子带走 中微子辐射能51053 ergs 辐射51058个中微子 爆发前20小时地球上每m2有51014个中微子穿过第50页，共81页，编辑于2022年，
13、星期日超新星1987A的遗留物：环状星云SN 1987A in X-ray第51页，共81页，编辑于2022年，星期日环状星云的结构第52页，共81页，编辑于2022年，星期日超新星遗迹超新星爆发抛出的大量物质在向外膨胀过程中与星际物质和磁场相互作用而形成的气体星云。强射电辐射和高能辐射源（同步加速辐射，激波加热）。年龄 105 yr 形态分类：壳层型（辐射主要来自纤维状的球形壳层和星际气体的相互作用）。混合型（辐射来自遗迹整个区域，并且由中心的脉冲星提供能源）。第53页，共81页，编辑于2022年，星期日Crab Nebula-Optical and X-ray典型的超新星遗迹第54页，共8
14、1页，编辑于2022年，星期日Tycho Nebula 第55页，共81页，编辑于2022年，星期日天鹅圈 Cygnus Loop第56页，共81页，编辑于2022年，星期日Puppies A 脉冲星第57页，共81页，编辑于2022年，星期日恒星初始质量(M)演化结局 0.01行星0.01 M 0.08褐矮星0.08 M 0.25He白矮星0.25 M 8CO白矮星?8 M 12ONeMg白矮星?12 M 40超新星黑洞?不同质量恒星的演化结局第58页，共81页，编辑于2022年，星期日第59页，共81页，编辑于2022年，星期日3.恒星演化与元素合成 宇宙元素丰度 元素粒子数相对丰度（%）
15、H（1个核子）90He（4个核子）9Li族（7.1个核子）0.000001C族（12个核子）0.2Si族（23.8个核子）0.01Fe族（50.2个核子）0.01中等质量元素（63个核子）0.00000001重元素（100个核子）0.000000001第60页，共81页，编辑于2022年，星期日宇宙中的各种元素是如何形成的？宇宙元素丰度第61页，共81页，编辑于2022年，星期日2.原初元素H,He和少量的Li,B,Be，形成于宇宙大爆炸初期。3.恒星内部的核合成(nuclear synthesis)燃烧过程产物温度(K)最小质量(M)H燃烧He21070.1He燃烧C,O21081C燃烧O,
16、Ne,Na,Mg81081.4Ne燃烧O,Mg1.51095O燃烧Mg-S2.010910Si燃烧Fe峰元素3.010920恒星演化与元素合成第62页，共81页，编辑于2022年，星期日比Fe峰元素更重元素的形成中子俘获 反应(Z,A)+n (Z,A+1)+衰变：(Z,A+1)(Z+1,A+1)+e-+1)慢过程(s-process)中子俘获过程比衰变慢发生在恒星内部，形成 209Bi（铋）元素。2)快过程(r-process)中子俘获过程比衰变快发生在超新星爆发，形成 251Cf（锎）元素。第63页，共81页，编辑于2022年，星期日3.3 恒星演化的观测证据 1.星团(star clust
17、er)及其H-R图 恒星在天空中的分布有聚集成团的现象。第64页，共81页，编辑于2022年，星期日形态不规则大小6-50 ly质量102-103 M恒星密度0.1-10 M ly-3/010-50空间分布银道面附近Z 200 pc成员星年轻、中等年龄恒星昴星团（Pleiades）疏散星团(open clusters)第65页，共81页，编辑于2022年，星期日The M7 Open Star Cluster in Scorpius 第66页，共81页，编辑于2022年，星期日形态球形或扁球形大小60-300 ly质量104-107 M恒星密度1-100 M ly-3/050-103空间分布以
18、银心为球心的球状分布，d 35 kpc成员星年老的、贫金属恒星Omega Centauri 球状星团(globular clusters)第67页，共81页，编辑于2022年，星期日Peering into the Core of the Globular Cluster Omega Centauri by HST第68页，共81页，编辑于2022年，星期日星团的H-R图昴星团（Pleiades）Omega Centauri第69页，共81页，编辑于2022年，星期日(2)星团H-R图和理论H-R图的比较 星团中的恒星具有相同的距离、年龄和初始化学组成，但成员星的质量不同，因而演化的速度有快有
19、慢。星团中的恒星按照质量大小的次序先后脱离主序。第70页，共81页，编辑于2022年，星期日星团的演化模拟结果第71页，共81页，编辑于2022年，星期日不同星团在H-R图上的分布赫氏空隙星团在H-R图上脱离主序点(turn-off point)的位置反映了它们的年龄和距离第72页，共81页，编辑于2022年，星期日2.脉动变星(pulsating variables)星体发生有节律的、大规模运动而使亮度发生变化的恒星。(1)造父变星(Cepheid variables)周期性脉动变星P 1-50 d 原型：造父一（仙王）P=5.4 d第73页，共81页，编辑于2022年，星期日造父变星的特点
20、 l质量3-10 M 的F-K型巨星或超巨星（核心He燃烧）。l位于H-R图上主序上方的造父不稳定带。第74页，共81页，编辑于2022年，星期日造父变星的光变主要来自表面温度的变化，且与半径变化反位相（半径变化5-10%）。第75页，共81页，编辑于2022年，星期日分类 I型（经典）造父变星（星族I）II型（室女W）造父变星（星族II）天琴RR型星（星族II）脉动原因：恒星演化到一定阶段，内部出现不稳定性，引力和压力失去平衡。恒星脉动主要是包层的周期性膨胀和收缩，不涉及恒星的核心。第76页，共81页，编辑于2022年，星期日在正常情况下：T-3.5RT()释放能量 膨胀幅度减小但在造父变星
21、脉动初期，由于恒星包层中的He的部分电离区的存在，脉动振幅随时间越来越大。RRHeIIHeIIHeIIITe基本不变 吸收能量R第77页，共81页，编辑于2022年，星期日脉动显著性（参与脉动的物质量、脉动振幅）与HeII部分电离区位置有关。造父不稳定带位置 T 6000-9000 K。第78页，共81页，编辑于2022年，星期日恒星在演化过程中可能数次穿越不稳定带，在正常（稳定）恒星和脉动变星之间变换。不稳定带第79页，共81页，编辑于2022年，星期日造父变星的周光关系log P Mv 解释：MLMRPR/vR3/2-1/2 M PP L第80页，共81页，编辑于2022年，星期日造父视差（Cepheid Parallax）造父变星脉动周期P 绝对星等Mv 距离模数mv-Mv 距离d 第81页，共81页，编辑于2022年，星期日