1、恒星的热核演化与终结,彭秋和(南京大学天文系),R地球 6370 公里, 1.4 g/cm3,太阳内部状况,Tc(1.4-1.5)107 Kc(50-100) g/cm3,H: X0.68He: Y0.30 Z0.02(C、N、O以上重元素),太阳能源,从很远处看, 太阳是一个黄色的矮星太阳中心区域内持续不断的热核燃烧。 4 1H 4He由Einstein 的质量-能量关系式 E = Mc2M c2 = 4 M(1H) M(4He)c2 = 26.73 MeV同时释放26.73 MeV的能量。太阳内部每秒钟都有7,750万吨的氢在这种热核爆炸过程中转化为氦, 正是由于这种热核燃烧维持着太阳巨大
2、的光度。太阳内部这种热核燃烧已经持续了45亿年。估计它还可以这样稳定地再燃烧50亿年左右。在恒星世界中太阳是一个普通的恒星。,恒星内部热核燃烧与演化,一颗恒星的演化史本质上就是它内部核心区域的热核(燃烧)演化史。大质量恒星演化进程将先后经历一系列热核燃烧阶段:H燃烧 (稳定核燃烧, 主序星): 核合成主要结果: 4 1H 4He 1. PP反应链- Tc 1.6107 K 小质量恒星 1.1 M 对太阳(), 稳定燃烧100亿年,pp链:氢(质子)合成氦(粒子) 小质量(M 1MeV) 只对8B高能中微子起反应结合日本的超神冈切仑柯夫水探测器 (+ e- + e- 弹性散射,能阈值 3MeV)
3、; 只对8B高能中微子起反应, 但是对e、 三种中微子都有效。表明了:中微子振荡现象确实存在为此, Davis 分享了2002年诺贝尔物理学奖。,CNO循环(Tc 2 107 K中，大质量恒星的氢燃烧),20Na 0.446s Ne-Na循环 (p, ) 18Ne 19Ne 20Ne (p,) 1.675s 17.3s + 17F 18F 19F 64.5s 109.8m 14O 15O 16O 17O 18O 70.6s 122s 13N 14N 15N AZ 稳定核素 9.96m AY 放射性核素 1/2 12C 13C,4He + 4He 8Be + 8Be + 4He 12C + ,8
4、Be是非常不稳定的同位素，分裂成两个4He的时标仅为10-12 s。但它在分裂前有一定概率再吸收一个粒子 而转变为12C 3 反应,氦燃烧 (红巨星) T108 K,点燃核燃烧的临界(极小)质量,热核燃烧点火条件,星体中心温度,核燃烧的点火温度,热核燃烧的点火温度是由核物理的微观性质来决定的，它可以从入射核的热运动能(考虑隧道效应)大约等于库仑位垒高度的(5-10)%来估算,恒星的中心温度则是由恒星整体的宏观性质决定的。一般来说，质量愈大的恒星，其中心温度愈高。,续,对处于稳定氢燃烧阶段的主序星，其中心温度和密度同恒星质量的关系分别为,太阳:,质量很大的主序星例Wolf-Rayet 星，,M,
5、推论:只有当恒星质量大於某一确定值时,它才可能点燃相应的热核燃烧。,随着参与反应的原子核的核电荷增长,其间库仑位垒迅速增加，上式中的 也随之增加。 因而，质量不太大的恒星内部只能点燃某些轻核的热核反应而不能点燃较重原子核的核燃烧。也就是说，它们的核燃烧是不完全的。,核燃烧的密度条件,热核燃烧尚未开始或熄灭时，星体核心收缩，Tc，同时c, 能否达到TcTnuc条件。取决于星体核心是否以能够继续收缩。 星体核心继续收缩条件：cD D：电子简并密度（固体状态）,若cD.电子气体的Fermi(量子)简并压强非常强大,足以抗 阻引力收缩,星体不再收缩,Tc不再升高(需考虑中微子发射), (强简并条件),
6、质量小的恒星(主序时c高),容易达到这一条件 这时恒星核心停止热核演化。结局：白矮星+行星状星,电子简并压强在星体热核演化的重要作用,若C D，弱(电子)简并状态, PPe,与T无关，但Pe不够强大，星体核心仍会收缩， TCTnuc 核燃烧简并物质内核燃烧是完全不稳定的 失控热核反应(局部爆炸性核燃烧)。,Brown Stars 和耀星,在原始恒星中,小质量恒星的中心密度较高。随着形成恒星的星云引力收缩, 原始恒星中心温度不断上升的同时，其中心密度也随着进一步增加。所以， 对于质量太小的恒星(例如，当恒星质量低于0.07 M时)，当它们的中心温度尚未上升到氢燃烧的点火温度 (107 K)时,
7、其物质密度也因星体收缩而远远超过了电子简并条件的密度值 此后星体内电子简并压强已足以抗拒星体自引力的压缩，恒星不再收缩，其中温度也不会再升高。因而其中心温度始终低于氢燃烧的点火温度。这些恒星内部也不能点燃前述能源序列中的任何核燃烧。这些恒星的光度远远低于以核燃烧为其能源的主序星的光度，这类光度很低的恒星称为褐矮星(Brown Star) 。 在原始小质量恒星收缩过程中，如果其中心温度达到H燃烧大规模进行的点火温度附近时，正好物质密度也接近或达到上述简并密度，则由于简并物质中的热核燃烧是不稳定的，它将导致局部爆炸性的H燃烧。不过，它并不会导致整个星体爆炸。近年来在天文观测上发现某些低光度恒星亮度
8、出现短暂的闪亮，人们认为它正是这种正在形成的小质量恒星在弱(电子)简并状态下氢燃烧开始点火时出现的氢闪现象,称为耀星。,核心He燃烧的点燃,氦燃烧(3反应)的点火温度为108K。当恒星核心区氢燃烧熄灭后，无核能源，星体核心开始收缩，只有当中心温度上升到108K以上，才能点燃氦燃烧。但是,在主序阶段低质量恒星的中心密度高于大质量星的密度。经历收缩之后，当中心温度到达108K时，不同质量的恒星, 中心密度分别为 D (强简并状态)。 核心不能继续收缩升温,不能点燃氦燃烧。 0.5 的恒星, 核心可以点燃氦燃烧0.52.2, 当它们的中心温度上升到108K时, c D (弱简并状态)。 经历(局部)
9、爆炸性氦燃烧 He-闪 2.2当它们的中心温度上升到108K时, c 8m 点燃平稳C-燃烧 超新星,AGB星,M 107K (?)脉冲星同超新星遗迹成协(?) 发现10个脉冲星的空间运动速度: 高速运动。(?) 大多数: V (200 500)km/s ; 5个: V 1000km/s 通常恒星(包括产生中子星的前身星): 20-50 km/s,94颗脉冲(单)星的空间速度,V (km/s) 脉冲星数 所占百分比 100 71 3/4 300 36 38% 500 14 15% 1000 5 5%,为什么?不对称的爆发或发射(辐射或中微子)导致非常巨大的 “kick”,脉冲星空间速度方向同它
10、的旋转轴共线,至少对Crab and Vela PSR (Lai, Chernoff and Cordes(20001),Crab 星云脉冲星,年轻脉冲星的Glitch现象: (非常规则缓慢增长的)脉冲周期 (P) 突然变短现象,脉冲周期平稳地增长背景上偶然地脉冲周期会突然变短(周期变化幅度为10-6-10-10), 随后较之前更迅速地变慢，持续直到恢复过去的周期增长率。这种现象称为Glitch现象。 (至2005年底)已发现约72个脉冲星出现Glitch现象(共约189次),至少有8个脉冲星的Glitch幅度超过1.010-6。PRS Vela : 36年出现11次 Glitch ,其中9次
11、的幅度超过1.010-6; PSR Crab: 36年出现19次Glitch,幅度超过1.010-6的仅1次;PSR 1737-30 呈现9次Glitch,它的最大幅度仅达到0.710-6。 还发现更多脉冲星呈现微Glitch现象(周期变短幅度低于10-12),glitch,P,t,中子星内部结构:中子超流涡旋运动,核心(1km),3P2(各向异牲) 中子超流涡旋区,1S0 (各向同性) 中子超流涡旋区,(5-8)% 质子 ( II 型超导体?) (正常)电子Fermi气体,= (g/cm3),1014,1011,107,内壳超富中子核、晶体、自由电子,外壳(重金属晶体),夸克物质 ?,510
12、14,104,电子气体为超相对论简并(非超导)中子(质子)气体为非相对论简并,1S0 与 3PF2 中子超流体,1S0中子超流涡旋1S0 中子Cooper 对: 自旋=0, 各向同性 1S0 中子能隙 :(1S0) 0, 1011 (g/cm3) 1.41014 (1S0)2MeV 71012 (g/cm3) 51013,3PF2中子超流涡旋(3PF2中子Cooper 对: 自旋=1, 各向异性, 具有(反常)磁矩 10-23 c.g.s.)3PF2中子能隙 : n(3PF2) n(3PF2) max 0.05MeV (3.31014 (g/cm3) 5.21014),脉冲星辐射的磁偶极模型(
13、标准模型,1969 ),辐射功率自转能减慢 磁场特征年龄,脉冲星自转减慢机制（现有理论）,磁偶极模型(标准模型, 1968)超流涡旋的中微子辐射 (Peng , Huang2, 1982)(混杂模型)盘吸积模型脉冲星表面电流效应诞生初期的引力波辐射磁层表面欧姆加热,比较,磁偶极辐射模型(标准模型),(我们的)混杂模型, 3 n 1.25s 脉冲星 (87个) ),对 P 1s.25 脉冲星 自转减慢只能由中国小组的NSV(中子超流涡旋)模型描述; 对 0s.1 P 1s.25 脉冲星自转减慢可由磁偶极辐射和NSV辐射联合模型来描述。,Peng, Huang Huang, Lingenfelte
14、r, Peng and Huang, 1982,我们感兴趣的脉冲星重要疑难问题,1.脉冲星的自转减慢机制? (1980-1982)2.脉冲星的加热机制? (1980-1982) 3.高速中子星问题: 中子超流涡旋的中微子辐射火箭喷流模型(2003) 4.年轻脉冲星Glitch的物理起源:(中子星加热机制的改进) 模型I: 中子星内正常(Fermi)中子相和3P2 超流相间的相震荡模型(2006) 模型II: 中子星内3P2 超流体的A相与B间的相震荡模型(2007) 5. 中子星强磁场的物理起源 (2007, MNRAS)6.磁星超强磁场的物理本质问题以及和磁星活动性物理原因(2007)7.毫秒脉冲星特性:弱磁场、无Glitch、较低空间速度,物理原因? 8. 低质量X射线双星(LMXB)内的中子星弱磁场问题 高质量X-双星(HMXB)内的中子星磁场很强。?9. Sometimes Pulsars 以及缺脉冲现象 ?10.缓变Glitch现象 ?,谢谢大家,
