恒星的诞生和结构演化

恒星的诞生和结构演化1，恒星诞生2，恒星结构和演化3，恒星的表面活动4，恒星演化模型5，恒星的质量和演化2恒星研究ƒ恒星的诞生(很短时间)ƒ恒星的演化(大约90%以上的时间)ƒ恒星的死亡(很短时间)3(1)恒星的诞生ƒ恒星形成是目前恒星物理的基本问题之一，也是难点之一。ƒ观测表明，恒星诞生于分子云中。4星云♦很稀薄空气：1019原子/立方厘米人造真空：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（指温度低）5A.恒星形成的观测证据：Z存在大量大质量、高光度的O、B主序星。它们的寿命107yr银河系年龄(1010yr)Z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。是由年轻恒星组成的。Z星云中年轻恒星的发现，如HH天体。BN天体，KL源等6UpperScoriusassosiationOrionstarformationregion猎户座OMC-1区7气体星云鹰星云锥状星云8ƒ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。ƒ在不受干扰的情况下，这些星际云是稳定的。ƒ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。气体星云中形成恒星9ƒ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。ƒ原恒星深埋在气体和尘埃中，辐射在红外波段。ƒ原恒星会有吸积盘和喷流。原恒星(年轻恒星,YSO)10ƒ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。观测证据11ƒ原恒星的吸积盘12原恒星的收缩ƒ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。ƒ如果原恒星质量足够大(下限约为0.08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。ƒ原恒星的吸积盘最后塌缩成围绕这颗恒星运行的行星。13B.恒星形成过程示意图14分子云中恒星的形成100K,1012/cm3106K,3000K1018/cm310K,106/cm35×106K,4000K1022/cm37×106K,4500K1025/cm31.5×107K,6500K1026/cm3152，恒星结构和演化161.恒星的能源2.主序恒星的质光关系3.赫罗图(恒星和星团)Z恒星集中在几个主要的区域Z恒星的光谱型(有效温度)与绝对星等相关研究的基本任务171.恒星的能源：核燃烧ƒ热核反应理论解决了恒星能源问题ƒ大多数恒星内部的核反应分为两类：ƒ质子—质子反应链(Proton-ProtonChains)ƒ碳氮氧循环(CNOcycle)ƒ反应取决于温度(1.0×107K以上)18恒星的能源：核燃烧ƒ氢(H)燃烧(1.0×107K)：Z主序恒星,合成元素：Heƒ氦(He)燃烧(1.0×108K)：Z氢燃烧结束，恒星离开主序,合成元素：C,N,Oƒ碳(C)燃烧(5－10)×108Kƒ氧(O)燃烧(1－2)×109Kƒ氖(Ne)，硅(Si)，镁(Mg)等燃烧Z聚合成Fe以内的重元素Z比Fe更重的元素通过超新星爆发合成！！！19恒星内部核燃烧小质量恒星大质量恒星20恒星内部结构(以太阳为例)Core:核心RadiativeZone:辐射区ConvectionZone:对流层Corona:日冕Chromosphere:色球Prominence:日珥Sunspot:太阳黑子Photosphere:光球213，恒星的表面活动22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、太阳风太阳表面活动太阳大气23太阳耀斑米粒与黑子日珥24色球（红色）与日珥日冕太阳表面结构254，恒星演化模型26理论预言ƒ目的：研究恒星内部各物理量的分布及其随时间的演化。ƒ方法：简化假设方程组物质函数观测比对观测比对27基本方程组（I）♦简化假设：球对称结构；恒星是稳定的；♦隔离法28恒星的结构与演化ƒ恒星的诞生：引力坍缩分子云恒星ƒ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：Î引力能和内部压力的平衡(核能)29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、引力收缩等）（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305，恒星的质量和演化31热核反应：恒星中心ƒ原子聚合反应：几个轻原子核聚合为重原子核的反应。ƒ质能方程：E＝mc2ƒ质量亏损：聚合反应中损失的质量。ƒ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.速率很大，与温度有关。32决定恒星的演化的主要因素ƒ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ƒ原恒星质量越小，它收缩成为恒星的时间越长。33ƒ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。ƒ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。决定恒星的演化的主要因素是恒星质量34恒星质量越大，主序寿命越短。35小质量星的演化ƒ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，恒星会变得极为光亮。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。(1)初始阶段36地球、太阳（现在）和典型红巨星的大小比较37ƒ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。小质量星的演化(2)红巨星以后38美丽的行星状星云39ƒ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。小质量星的演化(3)最后的归宿40小质量恒星的主序后演化总结M2M⊙41小质量星的演化HR图上轨迹注意：这里不是均匀时间坐标，主序上只有一点，但是停留的时间非常长42大质量恒星的演化M2M⊙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43大质量恒星的主序后演化M＝15M⊙44大质量恒星的主序后演化内部物理过程(1－2)×109(5－10)×108(1－2)×108核心温度(K)超新星爆发Fe燃烧，吸热，核心塌缩重元素壳层Fe核形成O，Ne，Si燃烧。。C燃烧，He燃烧，H燃烧C燃烧，C枯竭He燃烧，H燃烧He燃烧，He枯竭H燃烧开始H枯竭壳层核心45大质量恒星的演化内部成分46大质量星的演化47Fe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Î超新星爆发48恒星的最后归宿ƒ0.08M⊙：H未燃烧，H－WD(H白矮星)ƒ0.08－0.5M⊙：He未燃烧，He－WDƒ0.5－1.0M⊙：C未燃烧，C－WD(C白矮星)ƒ1.0－3.0M⊙：C未燃烧，C－WD，红巨星ƒ3－8M⊙：C爆发燃烧型超新星，爆发ƒ8－30M⊙：超新星爆发，中心Fe核，留下NSƒ30－100M⊙：塌缩成为黑洞WD：WhiteDwarf，白矮星NS：NeutronStar，中子星BH：BlackHole，黑洞恒星归宿49白矮星和中子星的尺度50恒星演化总结遗迹质量