恒星的形成与演化(科普版)

恒星的形成与演化大爆炸第一代结构现在恒星的形成大爆炸宇宙学–宇宙的极早期，宇宙的温度和密度都极高–温度不断下降，宇宙辐射为主物质为主–气体逐渐凝聚成气云，然后有恒星、星系恒星形成理论–星际气体怎么会形成光辉夺目的恒星呢？2020/7/[e-mail]3恒星形成理论:弥漫学说散布于空间弥漫物质在引力作用下凝聚为恒星–宇宙空间存在着大量的星际物质（星际气体、星际尘埃、宇宙线与星际磁场）–由于星际物质密度的不均匀性，形成了一些密度较大区域–星际物质受到引力的作用，便聚集到这些区域，形成星云–星云不断收缩，势能转换为恒星内部热能和向外的辐射能–星云温度不断提高，并向外辐射能量，从而形成原始恒星不同类型的恒星–规模较小的星云形成一个孤立的恒星,–大的星云由于密度不均匀,其中有几个质量中心,因而形成双星、聚星或星团。–质量非常小的星云,不能收缩成为恒星2020/7/74巨蛇座弥漫星云M16弥漫星云猎户座马头星云弥漫星云玫瑰星云弥漫星云三叶星云弥漫星云人马座礁湖星云M8弥漫星云行星状星云金牛座蟹状星云M1亮星云：发射星云，反射星云星云暗星云马头星云鹰云暗星云(darknebulae)大量的尘埃阻挡了星云内部或后面恒星的星光。昴星团反射星云(reflectionnebulae)星云通过尘埃反射附近的热星的星光而发光，颜色偏蓝。热星的光谱型一般晚于B3型。恒星形成理论:弥漫学说散布于空间弥漫物质在引力作用下凝聚为恒星–宇宙空间存在着大量的星际物质（星际气体、星际尘埃、宇宙线与星际磁场）–由于星际物质密度的不均匀性，形成了一些密度较大区域–星际物质受到引力的作用，便聚集到这些区域，形成星云–星云不断收缩，势能转换为恒星内部热能和向外的辐射能–星云温度不断提高，并向外辐射能量，从而形成原始恒星不同类型的恒星–规模较小的星云形成一个孤立的恒星,–大的星云由于密度不均匀,其中有几个质量中心,因而形成双星、聚星或星团。–质量非常小的星云,不能收缩成为恒星2020/7/715金斯（Jeans）不稳定性由万有引力产生的一种不稳定性，因金斯在20世纪初最先研究而得名对于一个如星云的自引力体系，当星云的质量足够高时，(向内的)引力超过由热运动和湍动产生的(向外的)压力，将引起星云的收缩星云不稳定的极限质量称为金斯(Jeans)质量：2020/7/[e-mail]16MJ1.2105MT100K321024gcm31232JamesJeans1877-1946金斯（Jeans）不稳定性2020/7/[e-mail]17MJ1.2105MT100K321024gcm31232中性氢云：n~1cm-3,T~100K→MJ~3×104M⊙暗分子云：n~106cm-3,T~10K→MJ~1M⊙Jeans质量判据给出了非相对论、无磁场星云坍缩的必要条件(并不是所有的星云都可以形成恒星)其它影响恒星形成的因素：有效的能量辐射–辐射压将反抗引力,阻碍星云塌缩星系潮汐力影响星云原初角动量–Rotation—thatis,spin—canalsocompetewithgravity'sinwardpull2020/7/[e-mail]20垂直自转轴方向停止收缩，平行方向继续收缩，星云变得扁平且密度增大，最终星云碎裂。总角动量被分解为各个碎块的自转和轨道角动量。其它影响恒星形成的因素：原始星云的磁场–原始星云一般具有微弱的磁场。随着星云收缩，磁场强度变大。磁场将阻止星云收缩，特别是垂直于磁场方向的收缩。2020/7/[e-mail]21Magnetismcanhinderthecontractionofagascloud,especiallyindirectionsperpendiculartothemagneticfield(solidlines).Frames(a),(b),and(c)tracetheevolutionofaslowlycontractinginterstellarcloudhavingsomemagnetism.2020/7/[e-mail]22HST拍摄到了迄今为止最清晰的猎户座星云全景照片。这张照片不仅显示出大量恒星的诞生，也包含有罕见的褐矮星。2020/7/[e-mail]23猎户星云缩小图最大恒星深红色柱FailingstarsSculptingthelandscapePillarsofgas2020/7/[e-mail]这是一张从Spitzer和HST得到的图片光波波长为0.43微米,0.50微米和0.53微米是蓝色的。波长0.6微米,0.65微米，0.91微米是绿色的。3.6微米的光是橘黄色的8微米的光是红色的恒星的形成：引力坍缩分子云恒星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！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。赫罗图赫罗图是天文学上最重要的图之一，由Hertzsprung﹙丹麦﹚与Russell﹙美国﹚分别发现。如以恒星的表面温度、发光能力﹙亮度﹚与光谱型态为坐标作图，恒星在图上的分布可分成数群：Ia﹙亮超巨星﹚&Ib﹙超巨星﹚,II﹙亮巨星﹚,III﹙巨星﹚,IV﹙次巨星﹚,V﹙主序星﹚与白矮星。传统上横轴上的温度是由右向左递增。右方的纵轴为恒星的绝对星等，亦即恒星在距地球10pc(32.6ly)时的「视星等」。绝对星等可量度一恒星的实际亮度。赫罗图质量图亮度温度不同的恒星有不同的位置100001000100101101100110001OBAFGKM400000100000700005000030000温度(0C)和太阳比较下的实际亮度光谱型蓝白黄橙红太阳的一生五千万年太阳在主序带上燃烧一百亿年五亿年太阳膨胀成为红巨星比地球轨道还大太阳由气体云收缩太阳的外层因激烈的胀缩而爆发75000年寿终正寝的太阳成为白矮星最后，变成黑矮星小质量星的演化小质量星在赫罗图上的演化轨迹中等质量星的演化中等质量星在赫罗图上的演化轨迹恒星中心核可能经历的核燃烧过程及其生成物大质量星的演化恒星内部物理过程：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核大质量星的演化经历多种元素聚合反应后，以超新星爆发的形式结束一生。超新星1987A1987.2.23爆发(d=170,000ly)，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--69°202，B3I型蓝超巨星M~20M⊙，L~105L⊙，T~16,000K，R~40R⊙超新星1987A的遗留物：环状星云SN1987AinX-rayCrabNebula-OpticalandX-ray典型的超新星遗迹天鹅圈CygnusLoop恒星的形成与演化图红巨星热力与重力的抗争红巨星的终结会因质量的不同而有不同的结果：•质量为太阳三倍以下，会形成白矮星。•质量为太阳三倍以上，则形成超新星。热力与重力的抗争红巨星乃恒星的老年状态，恒星内部的核融合将氢结合成氦、氦合成碳、碳合成氧......直至产生铁后，便不能再进行核融合。核融合变少，恒星温度下降，使恒星收缩。收缩后，又因收缩产生热力，恒星再次膨胀。恒星就如此落入重力与热力的竞争中。后期因铁核增大，膨胀收缩的幅度上升，形成称为变星的亮度脉冲星体。红巨星•‘它’为什么称为红巨星呢?当一星球，进入「碳氮氧循环」核能反应的变星阶段。此时星球的外观充满着‘快速扩散’的气体，也因此而降低了温度，呈现「红色」的低温特征，如此巨大呈现泛红的星体被称之为:「红巨星」星球外层气体会膨胀而成:红巨星白矮星白矮星为小质量恒星的死亡方式。在红巨星阶段，气体层散发后，剩下的散发淡光的铁核，这就是白矮星。白矮星温度很高，质量也大，一立方厘米约为十个人的质量，大小如同地球。白矮星最后会因能量散失(主要是光)而变为暗淡无光的黑矮星。超新星新星超新星的残骸超新星为大质量恒星的死亡方式。恒星因铁核质量周过大，膨胀收缩激烈，铁核因重力使质子与电子结合，形成中子核和放出微中子。气体层收缩，冲击核心造成向外的冲击波，气体层爆发，造成超新星。超新星虽是一个恒星的死亡，但同时造就很多恒星的诞生。超新星造成的向外冲击波，使气体云压缩，形成原始星。中子星中子星是超新星爆炸后遗留的恒星核心，由中子构成，密度为水的10^14(10的14次方)倍，仅一立方厘米的质量就足有全球人类那么重，大小仅为三十公里。中子星的两个强大磁极，带动四周带电粒子运行，放出电波。亦因自转轴与磁极不平行，电波因而呈圆周放射。地因此中子星亦称为脉冲星。谢谢