小质量恒星的演化

天文学导论第9讲小质量恒星演化ItissaidanEasternmonarchoncechargedhiswisementoinventhimasentencetobeeverinview,andwhichshouldbetrueandappropriateinalltimesandsituations.Theypresentedhimthewords:“Andthis,too,shallpassaway.”AbrahamLincoln(1809-1865)September30,1859本讲 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 小质量恒星（太阳）的主序后演化红（超）巨星行星状星云（地球的命运）白矮星小质量双星的演化激变变星新星Ia（热核）超新星主序后恒星的演化星际云坍缩为巨大的原恒星，由气体和尘埃组成的盘所环绕遗留在盘内的气体和尘埃聚积成行星及其卫星、小行星和彗星等原恒星继续坍缩直到核心的H点燃而成为主序恒星主序恒星：恒星核心的H在燃烧恒星最终会耗尽其核心的H燃料：结构开始剧变，开始快速演化最终坍缩成为没有核燃料的致密天体每颗恒星都是唯一的初始质量和化学丰度决定一个恒星的命运主序寿命，（赫罗图）演化路径，结束方式一个（孤立）恒星形成之时就确定了它的演化程小质量恒星和大质量恒星的演化十分不同大致区分为两类：小质量恒星<3Msun,以太阳为例天文学家已经回答了我们太阳的命运！大质量恒星>3Msun当主序恒星核心区的氢完全耗尽，恒星开始脱离主序，演化加快，出现一系列壮观景象小质量恒星的演化大质量恒星的演化1。小质量恒星的主序后演化以类太阳恒星演化作为小质量恒星演化的代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf ，以此来了解太阳轰轰烈烈的一生相似的初始质量（M~1M⊙）相似的初始化学成分（~太阳元素丰度）1.1亚巨星支Sub-giantBranch(SB)核心H枯竭(变为He核)，壳层H燃烧主序生活结束，开始快速演化He核收缩壳层引力增加壳层压力增加壳层H燃烧率加快（He核质量增加）恒星更亮，但体积膨胀表面温度降低恒星更红！亚巨星结构：非燃烧He核+壳层H燃烧+非燃烧H包层在H-R图上,恒星渐渐向右脱离主序(12),称为亚巨星支体积膨胀表面温度降低，但光度增加亚巨星的温度下降大约1,000K,1.2红巨星支RedGiantBranch(RGB)非燃烧He核继续坍缩，He核半径减小，He核温度上升壳层H燃烧率更快（He核质量增加）光度增加恒星包层膨胀表面温度降低……RGBHe核体积持续缩小电子开始简并(压)红巨星结构：非燃烧简并He核+燃烧H壳层+非燃烧H包层简并：泡利Pauli不相容原理量子力学：质量大粒子占据空间小！电子先简并客满客满自旋朝上自旋朝下能级1能级2由于H–的调节RGB表面温度变化不大在H-R图上，恒星向右上方几乎垂直攀升成为红巨星（23)：颜色红体积大（亮）反向林忠四郎线：原恒星主序星：H–调节恒星沿RGB是加速向上攀升的H壳层燃烧He核质量增加电子简并度增加导致He核继续收缩（温度升）引力更强H燃烧壳层压力更大更快H壳层燃烧He核质量增加更快…(相互促进）恒星光度加速上升恒星沿RGB是加速攀升的！太阳从主序到RGB最顶端大约要2亿年SB阶段：L10LsunRGB阶段：10Lsun1,000Lsun半径增大为100倍太阳半径太阳成为红巨星1.3氦闪(Heliumflash)He核质量继续增加且继续收缩引力更大H壳层燃烧更快，且加热He核（由引力能）…当He核的温度上升到约108K时，He开始燃烧(3alpha过程：3HeC)恒星攀升到RGB的顶点（3）由于简并，He核温度上升但不膨胀简并He核是很好的热导体，一旦He核的中心燃烧几分钟内加热整个He核，瞬间整个He核温度相同整个He核燃烧He核电子简并He核燃烧，He核虽温度上升但压力不增加（简并压主导）简并He核不膨胀（简并气体不满足理想气体状态方程！）简并He核的温度上升He燃烧率加快温度上升加快He燃烧率加快…..温度上升和He燃烧率加快相互促进氦闪后，电子简并解除因此，简并He核的突然燃烧是处于失控状态，故称为氦闪T=1亿K1.1亿K:反应率增加40倍T=2亿K反应率增加4.6亿倍数秒钟之内，温度上升热压大于简并压He核膨胀冷却电子简并解除He燃烧是以He闪的方式开始，但氦闪仅持续数小时氦闪是理论推算，至今仍未观测到He闪所产生的巨大能量用来抗衡引力和膨胀He核氦闪后,非简并He核变得很大引力减弱He燃烧核心和H燃烧壳层的压力减小核反应率明显降低恒星光度明显下降，仅有He闪时的1/100（包层收缩）恒星进入一个新的稳定态：He在正常的非简并的核内燃烧成为C，H在壳层内燃烧成为He1.4水平支HorizontalBranch(HB)He闪后，光度降低恒星（H包层）收缩表面温度上升恒星向左下方移至水平支（34）t=100,000years恒星的化学成分决定其在水平支上的位置：化学成分和太阳类似的小质量恒星将只聚集在RGB的左侧Fe丰度比太阳小的恒星趋于分布在远离RGB的准水平线上称为水平支（HB）星HB星结构稳定He核燃烧+（+非燃烧He壳层）+H壳层燃烧非燃烧H包层HB星和主序星的比较HB恒星非常类似于主序恒星（结构、行为）MS星：稳定的、非简并的核心H燃烧HB星：稳定的、非简并的核心He燃烧(和壳层氢燃烧)HB星保持稳定仅5千万年(HeC,HHe)：核心区的燃料变少He燃烧的能量转换效率比H低许多HB星更亮必须更快消耗燃料恒星离开HB类似于离开MS（作HHe,HeC替换）1.5渐进巨星支AsymptoticGiantBranch(AGB)在HB阶段，C不燃烧（T不够高）C堆积在核心当核心He枯竭引力>压力C核坍缩至电子简并C核半径减小，引力上升壳层压力上升加快壳层He和壳层H的燃烧简并C核质量(非半径，仍坍缩)增长加快引力上升加快壳层压力上升加快…因此恒星光度上升加快恒星半径增大加快（H-）表面温度大致不变类似于RGB,恒星再次向右上方加速攀升为红超巨星(45)在H-R图上的路径非常类似于RGB(23)，故称为AGB，这个阶段的星称为AGB星（红超巨星）AGB星结构简并非燃烧C核+He壳层燃烧+（非燃烧He壳层+）H壳层燃烧+非燃烧H包层C核：质量增加，继续收缩，温度升高*MS,RGB,HBandAGB星的结构比较*当到AGB顶端（5）时，光度的显著增加+恒星的显著膨胀开始抛射冷的外层（引力微弱），最终留下一颗“裸露”的高温C核心太阳的C核不会燃烧！简并C核质量(和温度T)增加加快壳层He和H燃烧…互相促进…（C核收缩）AGB星类似于RGB星C(闪)?决不会（对太阳）！更大质量恒星可以1MsunAGB星数百倍Rsun膨胀并吞食内行星轨道，可能包括地球虽然50亿年后发生，但远在此之前（~10亿年后），地球将会由于太阳光度的增加而被烤焦！地球的命运？数十亿年后，主序后半段，太阳膨胀~1.4倍，地球温度上升，地球上的海洋蒸发。太阳在变大，地球失去大气，许多陨石坑。灼热的炼狱之地作为红巨星的太阳，颜色偏红，火红的太阳将占据地球的大半天空地球未来的两种可能，还没有定论被膨胀的太阳“吞没”（可能性较大，据最新理论）不被太阳“吞没”，继续围绕那个“太阳”公转地球被膨胀的太阳“吞没”大约77亿年后，太阳将膨胀（~200倍）到差不多地球现在轨道的位置水星和金星早已被太阳吞没红巨星的大气稀薄，地球短时间内仍能在其大气中作公转运动。由于摩擦，地球失去速度，从而沿一条螺旋轨道向太阳中心“掉落”，最终撞进太阳高温部分，蒸发消失地球不被太阳“吞没”太阳风释放质量，因而引力减弱，结果地球公转轨道比现在向外移动不少，有可能不被膨胀的太阳“吞没”水星和金星自然是没有了太阳（碳核）坍缩变小（白矮星），地球仍是一颗行星，将一如既往地公转不停地球外侧行星轨道同样外移一些，继续公转1.6恒星质量损失Stellarmassloss1个太阳质量主序星演化到HB星阶段要损失10%-20%的质量。演化到AGB星时再损失其质量的20%。因此结束AGB星阶段时，1Msun主序星的质量小于0.7Msun在AGB结束时，恒星质量损失失控质量损失更弱的引力更快的质量损失“更”更弱的引力…质量损失越来越厉害，抛射速度~20-30km/s留下炽热的简并C核壳层He（和H）快速燃烧（完）为C“裸露”C核质量增加+收缩C核变得越来越热恒星在H-R图的顶部快速从右向左移动（56，约5万年）“恒星”表面温度最终可达>105K主要辐射高能紫外光(峰值波长29nm)强烈的紫外辐射加热和电离膨胀的致密气体包层而发光，即行星状星云1.7行星状星云PlanetaryNebulae行星状星云通常是低质量恒星在死亡时所抛出的气体包层，受到中心高温“白矮星”的辐射，电离而发光行星状星云常为环形，环绕着恒星演化后所遗留下来的白矮星。气体壳层不断膨胀，年龄不超过5X104年螺旋星云HelixNebulaTheRingNebula环状星云Top:afamousplanetarynebulacalledtheRingNebula(M57),asitappearsthroughasmallamateurtelescope,showswhyastronomerthoughttheseobjectslookedlikeplanetsBottom:however,anHSTimageoftheringshowstheremarkableandcomplexstructureofthisexpandingshellofgas？HST杰作：动物园,……PlanetarynebulaearenotallsimplesphericalshellsaroundtheirparentstarsTheseHSTimagesshowawealthofstructureresultingfromcomplexprocessesbywhichlow-massstarsejecttheirouterlayers.Thus,theyearnsnameslikeOwlNebula,ClownNebula,Cat’sEyeNebula,andDumbbell,…猫眼星云TheCat'sEyePlanetaryNebulaasseenbyHST(right)andChandra(left)蝴蝶星云ButterflyNebula沙漏星云哑铃星云DumbbellNebula爱斯基摩星云TheEskimoNebula1.8成为白矮星后AGB星燃烧完所有壳层（表面）燃料仅剩下质量约为0.6Msun不能燃烧的简并的C球光度骤降，温度变化不大（收缩和引力能）在H-R图的最左侧垂直下落(67)，恒星越来越弱小几千年内，非燃烧的核心收缩成地球大小，此时（整个星体）完全电子简并，抗衡引力，不再收缩简并的恒星灰烬称为（碳）白矮星，很热但很小1.9白矮星冷却为黑矮星白矮星热辐射白矮星持续冷却电子简并其大小几乎不变在H-R图上,沿等半径线向右下方移动（78……）白矮星可保持很热约1千万年，最终光度可降为原主序星的1/1000黑矮星值得记住这个超密球（一茶匙一吨的密度），其生命实际上于100多亿年前开始于一个比地球上最好的真空还要稀薄100亿倍的星际分子云核！一个纪元的终结......另一个新纪元的开端2。白矮星WhiteDwarfs(WD)白矮星是密度高、体积小、光度低、表面温度高的白色星绝对星等Mv~8m-16m光度很低有效温度Teff~5×103-4×104K：光谱O到K型暗弱仅很近的白矮星才易观测到已知白矮星约1500颗，估计银河系恒星级天体总数的10%或更多是白矮星单星或双星成员白矮星的形成机制（简写版）Awhitedwarfistheproductofalowmassstar(withinitialmass<~3M⊙).Afterthestarbecomesaredgiant,itwillejectsitsenvelopeasaplanetarynebula,whiletheremainswillshrinkintoaverycompactcoreofcarbon/oxygen,andthatiswhitedwarf天狼星双星中的白矮星利用天体测量方法，发现最亮的恒星天狼星A有一颗暗淡的伴星B，是一个双星系统SiriusAandB.ThearrowpointstoSiriusB,awhitedwarfstar.OpticalfromLickobservatory(left)andX-rayfromChandra(right)确定天狼B是白矮星天狼星（Sirius）双星，Porb=50年天狼A：mv=-1.45m，Mv=1.4m天狼B：mv=8.68m，Mv=11.6m轨道运动→M=1.05M⊙Teff=2.6×104K→R≈5×108cmr=3.8×106gcm-3天狼B是白矮星球状星团中有大量白矮星在H-R图上白矮星位于主序带的左下方球状星团M4包含大约100,000颗恒星，其中40,000估计为白矮星白矮星的结构质量M~0.2-1.1M⊙（平均~0.6M⊙）半径R~5×108-109cm(~地球大小）密度ρ~105-107gcm-3自转周期P≥10秒为什么白矮星密度如此之高反而稳定？1924年，爱丁顿：内部高温原子失去电子，（比原子小得多的）裸原子核可以挤在一起，导致高密度（×）1926年，福勒R.H.Fowler：白矮星内部电子气的简并压力可以抗衡引力，维持稳定结构与理想气体不同，简并电子压力与温度无关在高温、高压和高密时，简并电子压力可以大大超过通常的气体压力，足以抗衡向内的引力而使白矮星有稳定的结构简并电子气高温→原子电离→自由电子高密→电子简并→泡利不相容原理→简并电子压力，与密度正相关非相对论性情形：Pe~ρ5/3相对论性情形：Pe~ρ4/3白矮星的冷却内部没有核聚变产生能源，也没有引力（收缩）能依然通过内部（简并）储存的热能传导到表面来维持发出微弱的光芒白矮星只不过在变得越来越冷、越来越暗！但大小保持不变白矮星的质量—半径关系与主序星迥然不同压力（非相对论）dP/dR~P/R~ρ5/3/R~M5/3/R6引力g~ρM/R2~M2/R5白矮星质量越大，其半径越小!R/RSun=(M/MSun)0.8质量增加，引力增加比简并压力增加快随着白矮星质量增大，其半径减小，电子被积压在更小的空间内，简并电子气运动变成相对论性的→当质量增大，引力比压力增大得更快→白矮星质量上限（引力>压力）对He白矮星，Mch≈1.44M⊙对C/O白矮星，Mch≈1.4M⊙g~ρM/R2~M2/R5钱德拉塞卡Chandrasekhar极限质量dP/dR~ρ4/3/R~M4/3/R61932，朗道预言，1935钱德拉塞卡计算1983诺贝尔物理学奖3。小质量双星的演化小质量恒星演化最明显复杂性来自于双星系统同为主序恒星时，双星的相互影响可能很小质量较大恒星先离开主序膨胀，其外层物质能够穿越界定双星各自引力范围的分界线而流入质量较小伴星，并加快其演化质量较大恒星首先演化为白矮星，与质量较小恒星组成一个由白矮星和“正常恒星”组成的双星系统质量较小恒星也离开主序而膨胀，其物质又返流到白矮星（原质量较大恒星）3.1激变变星CataclysmicVariables(CVs)白矮星与（演化的）恒星[红巨星]构成的相接双星白矮星通过吸积伴星的物质产生紫外和X射线辐射（吸积盘辐射）在密近双星中，伴星充满洛希（Roche）瓣进行物质交流3.2新星Novae白矮星通过吸积盘源源不断地吸积伴星物质，富氢物质堆积在白矮星表面，形成一个H的包层或“海洋”。当其温度上升到氢能燃烧时就导致吸积白矮星表面的失控热核反应(HHe)，即产生新星激变变星是新星的前身星progenitor新星：白矮星表面爆发性的氢燃烧尽管只观测到许多激变变星的一次新星爆发，但其一生中可能会经历多次新星爆发对于一个激变变星系统，新星再发周期~105年银河系每年产生约50颗新星，但由于星际消光每年发现仅2-3颗新星新星的观测特征在几天到几星期内亮度增加致其视星等减小7-16星等，然后缓慢下降，经几个月或几年回复到原先状态辐射主要在光学和紫外波段爆发时的能量释放率~1045-1046ergs-1抛射约10-5-10-3M⊙的物质，抛射物质速度~100-5000kms-1光变曲线NovaHerculis武仙座1934爆发时星等为3m两个月后星等为12m40年后向外抛射物质的半径达0.05光年NovaCygni天鹅座1975爆发时星等为2m爆发后降为15mTheejectedenvelopeisvisibleasalimb-brightenedshellexpandingawayfromthebinaryatspeedsofafewhundredtoafew103km/sNovaCygni1992(HST)双星再发新星（recurrentnovae）观测到不止一次类似新星爆发的激变变星典型的爆发间隔约10-100年（观测到的！）同心圆knotsTPyxidis(罗盘座)新星爆发间隔约20年当吸积白矮星的质量达到钱德拉塞卡（~1.4太阳质量）极限，白矮星开始坍缩升温，内部C和O的爆燃产生Ni-56衰变产能整个星体被炸光，释放巨大能量，其残骸以~104kms-1的速度向外膨胀超新星爆发的极大光度达~3×109L⊙两颗白矮星并合（1个）超亮IaSN？3.3Ia型超新星TypeIasupernova(SN)热核爆炸超新星Ia型超新星又称（吸积白矮星的）热核爆炸超新星Ia超新星爆发所释放的能量相当于太阳在100亿年主序生涯中所发能量之和的100倍短时间内光度可达太阳的100亿倍，可能亮过其所在星系本身类似银河系大小的星系大约每100年发生一次Ia型超新星爆发TypeIaSupernova1994DinNGC4526SN1998aqinNGC3982,Ia,18.4magSN1998buinNGC3368,Ia,13magIa型超新星光变曲线的特征超新星爆后大约20天光度达到最大值然后光度开始衰减：大约第一个月快速衰减：Ni-56(Co-56)衰变率；然后缓慢衰减：Co-56(Fe-56)衰变率产生了宇宙中的大部分铁测量遥远宇宙距离！