1、 中小学教育资源站（ )，百万资源免费下载，无须注册！ 中小学教育资源站 第 一 章 宇 宙 探 索 1.4 恒 星 的 演 化 相 关 素 材 恒 星 演 化 是 一 个 恒 星 在 其 生 命 期 内 （ 发 光 与 发 热 的 期 间 ） 的 连 续 变 化 。 生 命 期 则 依 照 星 体 大 小 而 有 所 不 同 。 单 一 恒 星 的 演 化 并 没 有 办 法 完 整 观 察 ， 因 为 这 些 过 程 可 能 过 于 缓 慢 以 致 于 难 以 察 觉 。 因 此 天 文 学 家 利 用 观 察 许 多 处 于 不 同 生 命 阶 段 的 恒 星 ， 并 以 计 算 机 模
2、 型 模 拟 恒 星 的 演 变 。 恒 星 的 演 化 过 程 1.恒 星 的 形 成 在 宇 宙 发 展 到 一 定 时 期 ， 宇 宙 中 充 满 均 匀 的 中 性 原 子 气 体 云 ， 大 体 积 气 体 云 由 于 自 身 引 力 而 不 稳 定 造 成 塌 缩 。 这 样 恒 星 便 进 入 形 成 阶 段 。 在 塌 缩 开 始 阶 段 ， 气 体 云 内 部 压 力 很 微 小 ， 物 质 在 自 引 力 作 用 下 加 速 向 中 心 坠 落 。 当 物 质 的 线 度 收 缩 了 几 个 数 量 级 后 ， 情 况 就 不 同 了 ， 一 方 面 ， 气 体 的 密 度
3、 有 了 剧 烈 的 增 加 ， 另 一 方 面 ， 由 于 失 去 的 引 力 位 能 部 分 的 转 化 成 热 能 ， 气 体 温 度 也 有 了 很 大 的 增 加 ， 气 体 的 压 力 正 比 于 它 的 密 度 与 温 度 的 乘 积 ， 因 而 在 塌 缩 过 程 中 ， 压 力 增 长 更 快 ， 这 样 ， 在 气 体 内 部 很 快 形 成 一 个 足 以 与 自 引 力 相 抗 衡 的 压 力 场 ， 这 压 力 场 最 后 制 止 引 力 塌 缩 ， 从 而 建 立 起 一 个 新 的 力 学 平 衡 位 形 ， 称 之 为 星 坯 。 星 坯 的 力 学 平 衡 是
4、 靠 内 部 压 力 梯 度 与 自 引 力 相 抗 衡 造 成 的 ， 而 压 力 梯 度 的 存 在 却 依 赖 于 内 部 温 度 的 不 均 匀 性 （ 即 星 坯 中 心 的 温 度 要 高 于 外 围 的 温 度 ） ， 因 此 在 热 学 上 ， 这 是 一 个 不 平 衡 的 系 统 ， 热 量 将 从 中 心 逐 渐 地 向 外 流 出 。 这 一 热 学 上 趋 向 平 衡 的 自 然 倾 向 对 力 学 起 着 削 弱 的 作 用 。 于 是 星 坯 必 须 缓 慢 的 收 缩 ， 以 其 引 力 位 能 的 降 低 来 升 高 温 度 ， 从 而 来 恢 复 力 学 平
5、 衡 ； 同 时 也 是 以 引 力 位 能 的 降 低 ， 来 提 供 星 坯 辐 射 所 需 的 能 量 。 这 就 是 星 坯 演 化 的 主 要 物 理 机 制 下 面 我 们 利 用 经 典 引 力 理 论 大 致 的 讨 论 这 一 过 程 。 考 虑 密 度 为 、 温 度 为 T、 半 径 为 r 的 球 状 气 云 系 统 ， 气 体 热 运 动 能 量 ET= RT= T (1) 将 气 体 看 成 单 原 子 理 想 气 体 , 为 摩 尔 质 量 ， R 为 气 体 普 适 常 数 为 了 得 到 气 云 球 的 的 引 力 能 Eg， 想 象 经 球 的 质 量 一
6、点 点 移 到 无 穷 远 ， 将 球 全 部 移 走 场 力 作 的 功 就 等 于 -Eg。 当 球 质 量 为 m， 半 径 为 r 时 ， 从 表 面 移 走 dm 过 程 中 场 力 做 功 ： dW=- =-G( )1/3m2/3dm (2) 所 以 ： -Eg=- ( )1/3m2/3dm= G( M5/3 于 是 ： Eg=- (2) 气 体 云 的 总 能 量 : E=ET+EG (3) 中小学教育资源站（ )，百万资源免费下载，无须注册！ 中小学教育资源站 热 运 动 使 气 体 分 布 均 匀 ， 引 力 使 气 体 集 中 。 现 在 两 者 共 同 作 用 。 当 E
7、0 时 热 运 动 为 主 ， 气 云 是 稳 定 的 ， 小 的 扰 动 不 会 影 响 气 云 平 衡 ； 当 E1.5107K 时 ， 恒 星 中 燃 烧 H 的 过 程 就 可 过 渡 到 以 CNO 循 环 为 主 了 中小学教育资源站（ )，百万资源免费下载，无须注册！ 中小学教育资源站 当 恒 星 内 混 杂 有 重 元 素 C 和 N 时 ， 他 们 能 作 为 触 媒 使 1H 变 为 4He， 这 就 是 CNO 循 环 ， CNO 循 环 有 两 个 分 支 或 总 反 应 率 取 决 于 最 慢 的 14N(p, )15O、 15N 的 (p, )和 (p, )反 应
8、分 支 比 约 为 2500： 1。 这 个 比 值 几 乎 与 温 度 无 关 ， 所 以 在 2500 次 CNO 循 环 中 有 一 次 是 CNO-2。 在 p-p 链 和 CNO 循 环 过 程 中 ， 净 效 果 是 H 燃 烧 生 成 He 在 释 放 出 的 26.7MeV 能 量 中 ， 大 部 分 消 耗 给 恒 星 加 热 和 发 光 ， 成 为 恒 星 的 主 要 来 源 。 前 面 我 们 提 到 恒 星 的 演 化 是 从 主 星 序 开 始 的 ， 那 么 什 么 是 主 星 序 呢 ？ 等 H 稳 定 地 燃 烧 为 He 时 ， 恒 星 就 成 了 主 序 星
9、 。 人 们 发 现 有 百 分 之 八 十 至 九 十 的 恒 星 都 是 主 序 星 ， 他 们 共 同 特 征 是 核 心 区 都 有 氢 正 在 燃 烧 ， 他 们 的 光 度 、 半 径 和 表 面 温 度 都 有 所 不 同 ， 后 来 证 明 ： 主 序 星 的 定 量 上 差 别 主 要 是 质 量 不 同 ， 其 次 是 他 们 的 年 龄 和 化 学 成 份 ， 太 阳 这 段 历 程 约 千 万 年 。 观 察 到 的 主 序 星 的 最 小 质 量 大 约 为 0.1M 。 模 型 计 算 表 明 ， 当 质 量 小 于 0.08M 时 ， 星 体 的 收 缩 将 达
10、不 到 氢 的 点 火 温 度 ， 从 而 形 不 成 主 序 星 ， 这 说 明 对 于 主 序 星 它 有 一 个 质 量 下 限 。 观 察 到 的 主 序 星 的 最 大 质 量 大 约 是 几 十 个 太 阳 质 量 。 理 论 上 讲 ， 质 量 太 大 的 恒 星 辐 射 很 强 ， 内 部 的 能 量 过 程 很 剧 烈 ， 因 此 结 构 也 越 不 稳 定 。 但 是 理 论 上 没 有 一 个 质 量 的 绝 对 上 限 。 当 对 某 一 星 团 作 统 计 分 析 时 ， 人 们 却 发 现 主 序 星 有 一 个 上 限 ， 这 说 明 什 么 ？ 我 们 知 道
11、， 主 序 星 的 光 度 是 质 量 的 函 数 ， 这 函 数 可 分 段 的 用 幂 式 表 示 ： L M 其 中 不 是 一 个 常 数 ， 它 的 值 大 概 在 3.5 到 4.5 之 间 。 M 大 反 映 主 序 星 中 可 供 燃 烧 的 质 量 多 ， 而 L 大 反 映 燃 烧 的 快 ， 因 此 主 序 星 的 寿 命 可 近 似 用 M 与 L 的 商 标 来 标 志 ： T M-( -1) 即 主 序 星 寿 命 随 质 量 增 大 而 按 幂 律 减 小 ， 如 果 整 个 星 团 已 存 在 的 年 龄 为 T， 那 就 可 以 由 T 与 M 的 关 系 式
12、 求 出 一 个 截 止 质 量 MT。 质 量 大 于 MT 的 主 序 星 已 结 束 核 心 的 H 燃 烧 阶 段 而 不 是 主 序 星 了 ， 这 就 是 观 察 到 由 大 量 同 年 龄 星 组 成 的 星 团 有 上 限 的 原 因 。 现 在 我 们 就 讨 论 观 测 到 的 恒 星 中 大 部 分 是 主 序 星 的 原 因 ， 表 1 根 据 一 25M 的 恒 燃 烧 阶 段 点 火 温 度 (K) 中 心 温 度 (g.cm-3) 持 续 时 间 (yr) H 4107 4 7106 He 2108 6102 5105 C 7108 6105 5102 Ne 1.
13、5109 4106 1 O 2109 1107 510-2 Si 3.5109 1108 310-3 燃 烧 阶 段 的 总 寿 命 7.5106 中小学教育资源站（ )，百万资源免费下载，无须注册！ 中小学教育资源站 星 演 化 模 型 ， 列 出 了 各 种 元 素 的 点 火 温 度 及 燃 烧 所 持 续 的 时 间 。 从 表 上 看 出 ， 原 子 序 数 大 的 和 有 更 高 的 点 火 温 度 ， Z 大 的 核 不 仅 难 于 点 火 ， 点 火 后 燃 烧 也 更 剧 烈 ， 因 此 燃 烧 持 续 的 的 时 间 也 就 更 短 。 这 颗 25M 的 表 1 25M
14、恒 星 演 化 模 型 ,模 型 星 的 燃 烧 阶 段 的 总 寿 命 为 7.5106 年 ， 而 其 中 百 分 之 九 十 以 上 的 时 间 是 氢 燃 烧 阶 段 ， 即 主 星 序 阶 段 。 从 统 计 角 度 讲 ， 这 表 明 找 到 一 颗 处 于 主 星 序 阶 段 的 恒 星 几 率 要 大 。 这 正 是 观 察 到 的 恒 星 大 多 数 为 主 序 星 的 基 本 原 因 。 3.恒 星 的 晚 年 主 序 后 的 演 化 由 于 恒 星 形 成 是 它 的 主 要 成 份 是 氢 ， 而 氢 的 点 火 温 度 又 比 其 他 元 素 都 低 ， 所 以 恒
15、星 演 化 的 第 一 阶 段 总 是 氢 的 燃 烧 阶 段 ， 即 主 序 阶 段 。 在 主 序 阶 段 ， 恒 星 内 部 维 持 着 稳 衡 的 压 力 分 布 和 表 面 温 度 分 布 ， 所 以 在 整 个 漫 长 的 阶 段 ， 它 的 光 度 和 表 面 温 度 都 只 有 很 小 的 变 化 。 下 面 我 们 讨 论 ， 当 星 核 区 的 氢 燃 烧 完 毕 后 ， 恒 星 有 将 怎 么 进 一 步 演 化 ？ 恒 星 在 燃 烧 尽 星 核 区 的 氢 之 后 ， 就 熄 火 ， 这 时 核 心 区 主 要 是 氢 ， 他 是 燃 烧 的 产 物 外 围 区 的
16、物 质 主 要 是 未 经 燃 烧 的 氢 ， 核 心 熄 火 后 恒 星 失 去 了 辐 射 的 能 源 ， 它 便 要 引 力 收 缩 是 一 个 起 关 键 作 用 的 因 素 。 一 个 核 燃 烧 阶 段 的 结 束 ， 表 明 恒 星 内 各 处 温 度 都 已 低 于 在 该 处 引 起 点 火 所 需 要 的 温 度 ， 引 力 收 缩 将 使 恒 星 内 各 处 的 温 度 升 高 ， 这 实 际 上 是 寻 找 下 一 次 核 点 火 所 需 要 的 温 度 ， 引 力 收 缩 将 使 恒 星 内 各 处 的 温 度 全 面 的 升 高 ， 主 序 后 的 引 力 收 缩
17、首 先 点 着 的 不 是 核 心 区 的 氦 （ 它 的 点 火 温 度 高 的 太 多 ） ， 而 是 核 心 与 外 围 之 间 的 氢 壳 ， 氢 壳 点 火 后 ， 核 心 区 处 于 高 温 状 态 ， 而 仍 没 核 能 源 ， 他 将 继 续 收 缩 。 这 时 ， 由 于 核 心 区 释 放 的 引 力 位 能 和 燃 烧 中 的 氢 所 释 放 的 核 能 ， 都 需 要 通 过 外 围 不 燃 烧 的 氢 层 必 须 剧 烈 地 膨 胀 ， 即 让 介 质 辐 射 变 得 更 透 明 。 而 氢 层 膨 胀 又 使 恒 星 的 表 面 温 度 降 低 了 ， 所 以 这
18、是 一 个 光 度 增 加 、 半 径 增 加 、 而 表 面 变 冷 的 过 程 ， 这 个 过 程 是 恒 星 从 主 星 序 向 红 巨 星 过 渡 ， 过 程 进 行 到 一 定 程 度 ， 氢 区 中 心 的 温 度 将 达 到 氢 点 火 的 温 度 ， 于 是 又 过 渡 到 一 个 新 阶 段 -氦 燃 烧 阶 段 。 在 恒 星 中 心 发 生 氦 点 火 前 ， 引 力 收 缩 以 使 它 的 密 度 达 到 了 103g.cm-3 的 量 级 ， 这 时 气 体 的 压 力 对 温 度 的 依 赖 很 弱 ， 那 么 核 反 应 释 放 的 能 量 将 使 温 度 升 高
19、 ， 而 温 度 升 高 反 过 来 又 加 剧 核 反 应 速 率 ， 于 是 一 旦 点 火 ， 很 快 就 会 燃 烧 的 十 分 剧 烈 ， 以 至 于 爆 炸 ， 这 种 方 式 的 点 火 称 为 “闪 ?quot;， 因 此 在 现 象 上 会 看 到 恒 星 光 度 突 然 上 升 到 很 大 ， 后 来 又 降 的 很 低 另 一 方 面 ， 当 引 力 收 缩 时 它 的 密 度 达 不 到 103g.cm-3 量 级 ， 此 时 气 体 的 压 力 正 比 与 温 度 ， 点 火 温 度 升 高 导 致 压 力 升 高 ， 核 燃 烧 区 就 会 有 所 膨 胀 ， 而
20、膨 胀 导 致 温 度 降 低 ， 因 此 燃 烧 就 能 稳 定 的 进 行 ， 所 以 这 两 种 点 火 情 况 对 演 化 进 程 的 影 响 是 不 同 的 K 恒 星 在 发 生 “氦 闪 光 “之 后 又 怎 么 演 变 呢 ？ 闪 光 使 大 量 能 量 的 释 放 很 可 能 把 恒 星 外 层 的 氢 气 都 吹 走 ， 剩 下 的 是 氦 的 核 心 区 。 氦 核 心 区 因 膨 胀 而 减 小 了 密 度 ， 以 后 氦 就 有 可 能 在 其 中 正 常 的 燃 烧 了 。 氦 燃 烧 的 产 物 是 碳 ， 在 氦 熄 火 后 恒 星 将 有 一 个 碳 核 心
21、区 氦 外 壳 ， 由 于 剩 下 的 质 量 太 小 引 力 收 缩 已 不 能 达 到 碳 的 点 火 温 度 ， 于 是 他 就 结 束 了 以 氦 燃 烧 的 演 化 ， 而 走 向 热 死 亡 。 由 于 引 力 塌 缩 与 质 量 有 关 ， 所 以 质 量 不 同 的 恒 星 在 演 化 上 是 有 差 别 的 。 中小学教育资源站（ )，百万资源免费下载，无须注册！ 中小学教育资源站 M0.08M 的 恒 星 ： 氢 不 能 点 火 ， 它 将 没 有 氦 燃 烧 阶 段 而 直 接 走 向 死 亡 。 0.08M0.35M 的 恒 星 ： 氢 能 点 火 ， 氢 熄 火 后
22、， 氢 核 心 区 将 达 不 到 点 火 温 度 ， 从 而 结 束 核 燃 烧 阶 段 。 0.35M2.25M 的 恒 星 ： 它 的 主 要 特 征 是 氦 会 点 火 而 出 现 “氦 闪 光 “。 2.25M4M 的 恒 星 ： 氢 熄 火 后 氢 能 正 常 地 燃 烧 ， 但 熄 火 后 ， 碳 将 达 不 到 点 火 温 度 。 这 里 的 反 应 有 ： 在 He 反 应 初 期 ,温 度 达 到 108K 量 级 时 ， CNO 循 环 产 生 的 13C， 17O 能 和 4He 发 生 新 的 ( ,n)反 应 ， 形 成 16O 和 20Ne， 在 He 反 应 进
23、 行 了 很 长 时 间 后 ， 20Ne(p, ) 21N a( +, ) 21Na 中 的 21Na 以 及 14N 吸 收 两 个 4He 形 成 的 22Ne 能 发 生 ( ,n)反 应 形 成 24Mg 和 25Mg 等 ， 这 些 反 应 作 为 能 源 并 不 重 要 ， 但 发 出 的 中 子 可 进 一 步 发 生 中 子 核 反 应 。 4M8 10M 的 恒 星 ， 这 是 一 个 情 况 不 清 楚 的 范 围 ， 或 许 碳 不 能 点 火 ， 或 许 出 现 “ 碳 闪 光 “， 或 许 能 正 常 地 燃 烧 ， 因 为 这 是 最 后 的 中 心 温 度 已
24、较 高 ， 一 些 较 敏 感 的 因 素 ， 如 ： 中 微 子 的 能 量 损 失 把 情 况 弄 得 模 糊 了 。 He 反 应 结 束 后 ， 当 中 心 温 度 达 到 109K 时 ， 开 始 发 生 C,O,Ne 燃 烧 反 应 ， 这 主 要 是 C-C 反 应 ， O-O 反 应 ， 以 及 20Ne的 ， 反 应 ： 8 10M M 的 恒 星 ： 氢 、 氦 、 碳 、 氧 、 氖 、 硅 都 能 逐 级 正 常 燃 烧 。 最 后 在 中 心 形 成 一 个 不 能 在 释 放 能 量 的 核 心 区 ， 核 心 区 外 面 是 各 种 能 燃 烧 而 未 烧 尽 的
25、 氢 元 素 壳 层 。 核 燃 烧 阶 段 结 束 时 ， 整 个 恒 星 呈 现 由 内 至 外 分 层 （ Fe,Si,Mg,Ne,O,C,He,H） 结 构 :学 最 终 “的 平 衡 位 形 ， 它 必 须 是 一 个 “冷 的 “平 衡 位 形 ， 即 它 的 压 力 与 它 的 温 度 无 关 。 主 序 星 核 心 H 耗 尽 后 ， 离 开 主 序 是 阶 段 开 始 了 它 最 后 的 历 程 。 结 局 主 要 取 决 于 质 量 。 对 于 质 量 很 小 的 星 体 由 于 质 量 小 ， 物 体 内 部 的 自 引 力 并 不 重 要 ， 固 体 内 部 的 平 衡
26、 是 正 负 离 子 间 的 净 库 仑 引 力 于 电 子 间 的 压 力 来 达 到 平 衡 的 。 当 星 体 质 量 在 大 些 ， 直 到 自 引 力 不 可 忽 略 时 ， 这 时 自 引 力 加 大 了 内 部 的 密 度 和 压 力 ， 压 力 的 加 大 是 物 质 发 生 压 力 电 离 ， 从 而 逐 渐 是 固 体 的 电 约 束 瓦 解 ， 而 过 渡 为 等 离 子 气 体 。 加 大 质 量 ， 即 加 大 密 度 ， 此 时 压 力 于 温 度 无 关 ， 从 而 达 到 一 种 “冷 的 “平 衡 位 形 ， 等 离 子 体 内 电 子 的 动 能 一 大 足
27、 以 在 物 质 内 部 引 起 衰 变 : 这 里 p 是 原 子 核 中 的 质 子 ， 这 样 的 反 应 大 致 在 密 度 达 到 108 g.cm-3 的 时 候 ， 它 将 逐 渐 地 是 负 离 子 体 中 的 原 子 核 变 为 富 中 子 核 ， 原 子 核 中 出 现 过 多 的 中 子 ， 导 致 核 结 构 松 散 ， 当 密 度 超 过 41011g.cm-3 是 中 子 开 始 从 原 子 核 中 分 力 出 来 ， 成 为 自 由 中 子 ， 自 引 力 于 中 子 间 压 力 达 到 平 衡 。 如 果 当 质 量 变 大 使 中 子 气 体 间 压 力 已
28、不 能 抵 御 物 质 自 引 力 ， 而 形 成 黑 洞 ， 但 由 于 大 多 数 恒 星 演 化 后 阶 段 使 得 质 量 小 于 它 的 初 始 质 量 ， 例 如 恒 星 中小学教育资源站（ )，百万资源免费下载，无须注册！ 中小学教育资源站 风 ， “氦 闪 光 “， 超 新 星 爆 发 等 ， 它 们 会 是 恒 星 丢 失 一 个 很 大 的 百 分 比 质 量 ， 因 此 ， 恒 星 的 终 局 并 不 是 可 以 凭 它 的 初 始 质 量 来 判 断 的 ， 它 实 际 上 取 决 于 演 化 的 进 程 。 那 么 我 们 可 以 得 出 这 样 的 结 论 。 8
29、10M 以 下 的 恒 星 最 终 间 抛 掉 它 的 一 部 分 或 大 部 分 质 量 而 变 成 一 个 白 矮 星 。 8 10M 以 上 的 恒 星 最 终 将 通 过 星 核 的 引 力 塌 缩 而 变 成 中 子 星 或 黑 洞 5.结 尾 现 在 观 测 到 的 恒 星 质 量 范 围 为 0.1 60M 质 量 小 于 0.08M 的 天 体 不 能 达 到 点 火 温 度 。 因 此 ， 不 发 光 ， 不 能 成 为 恒 星 。 质 量 大 于 60M 的 天 体 中 心 温 度 过 高 而 不 稳 定 ， 至 今 尚 未 发 现 Com 通 过 讨 论 我 们 大 体 可 以 了 解 到 恒 星 的 演 化 进 程 ， 主 要 经 历 ： 气 体 云 塌 缩 阶 段 主 序 星 阶 段 主 序 后 阶 段 终 局 阶 段 。 这 对 我 们 进 一 步 了 解 恒 星 的 演 化 有 很 重 要 的 意 义 。
