把南京大學(xué)建設(shè)成為我國核天體物理學(xué)研究中心和人才

1、恒星的熱核演化與終結(jié),彭秋和(南京大學(xué)天文系),R地球 ? 6370 公里, ~ 1.4 g/cm3,太陽內(nèi)部狀況,Tc≈(1.4-1.5)×107 Kρc≈(50-100) g/cm3,H: X≈0.68He: Y≈0.30 Z≈0.02(C、N、O以上重元素),太陽能源,?從很遠處看, 太陽是一個黃色的矮星太陽中心區(qū)域內(nèi)持續(xù)不斷的熱核燃燒。 4

2、 1H ? 4He由Einstein 的質(zhì)量-能量關(guān)系式 E = Mc2ΔM c2 = {4 M(1H) – M(4He)}c2 = 26.73 MeV同時釋放26.73 MeV的能量。太陽內(nèi)部每秒鐘都有7,750萬噸的氫在這種熱核爆炸過程中轉(zhuǎn)化為氦, 正是由于這種熱核燃燒維持著太陽巨大的光度。太陽內(nèi)部這種熱核燃燒已經(jīng)持續(xù)了45億年。估計它還可以這樣穩(wěn)定地再燃燒50億年左右。在恒星世界中太陽是一個

3、普通的恒星。,恒星內(nèi)部熱核燃燒與演化,一顆恒星的演化史本質(zhì)上就是它內(nèi)部核心區(qū)域的熱核(燃燒)演化史。大質(zhì)量恒星演化進程將先后經(jīng)歷一系列熱核燃燒階段:H燃燒 (穩(wěn)定核燃燒, 主序星): 核合成主要結(jié)果: 4 1H ? 4He 1. PP反應(yīng)鏈---- Tc< 1.6?107 K 小質(zhì)量恒星 < 1.1 M⊙

4、 對太陽(⊙), 穩(wěn)定燃燒100億年,,pp鏈:氫(質(zhì)子)合成氦(α粒子) — 小質(zhì)量(M < 1.1 M⊙)主序星 的氫燃燒,(pp-ν),,,,86%,,0.15%,99.85%,,,,,太陽——強大的中微子源,,,,,,,,,從太陽發(fā)射出來的中微子主要是低能中微子。中能中微子的流量只占低能中微子流量的1/20。高能中微子流量只有低能中微子流量的三十萬分之一。中微子流量理論預(yù)言取自文獻:J. Bahcall,

5、ApJ, 2001, 555, 990-1012。,Davis中微子探測實驗,氯探測器的能閾值為0.814 MeV。太陽出射中微子流的93%是低能中微子(pp-ν)流, 但是它們的能量卻遠低于這個能閾值，它們不能引起探測器的反應(yīng)。從太陽射出的具有能量為0.86 MeV的中能中微子(7Be-ν)(約占太陽中微子總流量的7%)的能量剛好超過這個能閾值，氯探測器雖然可以探測它們，但是靈敏度并不高。來自太陽的高能中微子(8B)雖只占太

6、陽中微子總流量的0.01%,但是它們在氯探測器上引起反應(yīng)的靈敏度最高。氯探測器無法探測太陽的低能中微子，它探測到的只是太陽的7Be(中能)微子和8B(高能)中微子。,1958-1968年間，在美國南達科他州Homestake這個地點的地下廢礦井中,采用 455 m3的C2Cl4作為探測材料, Davis利用放射性化學(xué)方法建立了一個大型的中微子探測器 — 氯探測器。,探測結(jié)果 — 太陽中微子失蹤案,太陽中微子單位: 1 SNU =

7、 1 事例/(秒,1036靶原子)。理論預(yù)言:太陽中微子事件數(shù)為 (7.9 ? 2.6) SNU。1968年公布的實測結(jié)果僅有理論值的1/3。2/3太陽中微子 “失蹤”了??為了進一步探測太陽低能中微子流,人們很快地提出了類似的放射性化學(xué)方法— 利用Ga探測器來探測太陽低能中微子 (能閾值:0.233MeV ) : GALLEX裝置(歐美合作)、 SAGE裝置(美蘇合作)、 GNO裝置(美國、加拿大合作),中微子

8、振蕩理論,正當Davis等人公布首批氯探測器探測結(jié)果的1968年，Pontecorvo也就提出了νe、νμ 和ντ這３種味的中微子有可能互相來回地轉(zhuǎn)化，稱為“中微子振蕩”。在太陽內(nèi)部的熱核燃燒過程中產(chǎn)生的中微子都是νe 。但在從太陽到地球漫長的飛行過程中，νe、νμ、 ντ三者互相來回轉(zhuǎn)化，其典型距離可能只有10m左右。因此，從太陽內(nèi)部熱核反應(yīng)產(chǎn)生的電子中微子在飛行目地空間距離（1.5×108 km）之后，當它們到

9、達地球上的中微子探測器時，平均而言，大約這３味中微子的數(shù)量各占 1/3。 前面介紹的所有建立在放射性化學(xué)方法基礎(chǔ)上的（氯、鎵）中微子探測器探測的都僅僅只是νe ，因而它們的實測流量當然只有太陽內(nèi)部發(fā)出時的νe 流量的 1/3。,關(guān)健性實驗—太陽中微子探測站(SNO),在加拿大安大略湖畔Sudbury市于2001年開始啟動的中微子探測站(簡稱為SNO):中微子誘導(dǎo)核反應(yīng) νe+ 2D → p + p + e- (只對

10、νe 有效; 能閾值>1MeV) 只對8B高能中微子起反應(yīng)結(jié)合日本的超神岡切侖柯夫水探測器 (ν+ e- → ν+ e- 彈性散射,能閾值 > 3MeV); 只對8B高能中微子起反應(yīng), 但是對νe、νμ、 ντ 三種中微子都有效。表明了:中微子振蕩現(xiàn)象確實存在為此, Davis 分享了2002年諾貝爾物理學(xué)獎。,CNO循環(huán)(Tc > 2 ?107 K中，大質(zhì)量恒星的氫燃燒),20Na

11、 0.446s Ne-Na循環(huán) (p, ?)

12、

13、 18Ne 19Ne 20Ne (p,?) 1.675s 17.3s

14、   ? +

15、 17F 18F 19F 64.5s 109.8m 14O

16、 15O 16O 17O 18O 70.6s 122s 13N 14N 15N A

17、Z 穩(wěn)定核素 9.96m AY 放射性核素

18、 1/2 12C 13C,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4He + 4He ? 8Be + ?8Be + 4He ? 1

19、2C + ?,8Be是非常不穩(wěn)定的同位素，分裂成兩個4He的時標僅為10-12 s。但它在分裂前有一定概率再吸收一個?粒子 而轉(zhuǎn)變?yōu)?2C — 3? 反應(yīng),氦燃燒 (紅巨星) — T>108 K,點燃核燃燒的臨界(極小)質(zhì)量,熱核燃燒點火條件,星體中心溫度,核燃燒的點火溫度,熱核燃燒的點火溫度是由核物理的微觀性質(zhì)來決定的，它可以從入射核的熱運動能(考慮隧道效應(yīng))大約等于庫侖位壘高度的(5-10)%來估算,恒星的中心溫度則是

20、由恒星整體的宏觀性質(zhì)決定的。一般來說，質(zhì)量愈大的恒星，其中心溫度愈高。,續(xù),對處于穩(wěn)定氫燃燒階段的主序星，其中心溫度和密度同恒星質(zhì)量的關(guān)系分別為,太陽:,質(zhì)量很大的主序星例Wolf-Rayet 星，,,M⊙,,推論:只有當恒星質(zhì)量大於某一確定值時,它才可能點燃相應(yīng)的熱核燃燒。,,隨著參與反應(yīng)的原子核的核電荷增長,其間庫侖位壘迅速增加，上式中的 也隨之增加。 因而，質(zhì)量不太大的恒星內(nèi)部只能點燃某些輕核的熱核反應(yīng)而不能點燃較重原子核的核

21、燃燒。也就是說，它們的核燃燒是不完全的。,核燃燒的密度條件,熱核燃燒尚未開始或熄滅時，星體核心收縮，Tc↗，同時ρc↗, 能否達到Tc≧Tnuc條件。取決于星體核心是否以能夠繼續(xù)收縮。 星體核心繼續(xù)收縮條件：ρc≦ρD ρD：電子簡并密度（固體狀態(tài)）,若ρc>>ρD.電子氣體的Fermi(量子)簡并壓強非常強大,足以抗 阻引力收縮,星體不再收縮,Tc不再升高(需考慮中微子發(fā)射), (強簡并條件)

22、,質(zhì)量小的恒星(主序時ρc高),容易達到這一條件 這時恒星核心停止熱核演化。結(jié)局：白矮星+行星狀星,電子簡并壓強在星體熱核演化的重要作用,若ρC ? ρD，弱(電子)簡并狀態(tài), P～Pe,與T無關(guān)，但Pe不夠強大，星體核心仍會收縮， TC↗Tnuc ?核燃燒簡并物質(zhì)內(nèi)核燃燒是完全不穩(wěn)定的 ——失控?zé)岷朔磻?yīng)(局部爆炸性核燃燒)。,Brown Stars 和耀星,在原始恒星中,小質(zhì)量恒星的中心密度較高。隨著形成恒星的星云

23、引力收縮, 原始恒星中心溫度不斷上升的同時，其中心密度也隨著進一步增加。所以， 對于質(zhì)量太小的恒星(例如，當恒星質(zhì)量低于0.07 M⊙時)，當它們的中心溫度尚未上升到氫燃燒的點火溫度 (107 K)時, 其物質(zhì)密度也因星體收縮而遠遠超過了電子簡并條件的密度值 此后星體內(nèi)電子簡并壓強已足以抗拒星體自引力的壓縮，恒星不再收縮，其中溫度也不會再升高。因而其中心溫度始終低于氫燃燒的點火溫度。這些恒星內(nèi)部也不能點燃前述能源序列中的任何核燃燒。

24、這些恒星的光度遠遠低于以核燃燒為其能源的主序星的光度，這類光度很低的恒星稱為褐矮星(Brown Star) 。 在原始小質(zhì)量恒星收縮過程中，如果其中心溫度達到H燃燒大規(guī)模進行的點火溫度附近時，正好物質(zhì)密度也接近或達到上述簡并密度，則由于簡并物質(zhì)中的熱核燃燒是不穩(wěn)定的，它將導(dǎo)致局部爆炸性的H燃燒。不過，它并不會導(dǎo)致整個星體爆炸。近年來在天文觀測上發(fā)現(xiàn)某些低光度恒星亮度出現(xiàn)短暫的閃亮，人們認為它正是這種正在形成的小質(zhì)量恒星在弱(電子)簡

25、并狀態(tài)下氫燃燒開始點火時出現(xiàn)的氫閃現(xiàn)象,稱為耀星。,核心He燃燒的點燃,氦燃燒(3?反應(yīng))的點火溫度為108K。當恒星核心區(qū)氫燃燒熄滅后，無核能源，星體核心開始收縮，只有當中心溫度上升到108K以上，才能點燃氦燃燒。但是,在主序階段低質(zhì)量恒星的中心密度高于大質(zhì)量星的密度。經(jīng)歷收縮之后，當中心溫度到達108K時，不同質(zhì)量的恒星, 中心密度分別為ｍ> ?D (強簡并狀態(tài))。

26、 核心不能繼續(xù)收縮升溫,不能點燃氦燃燒。ｍ > 0.5ｍ⊙ 的恒星, 核心可以點燃氦燃燒0.5ｍ⊙＜ｍ＜2.2ｍ⊙, 當它們的中心溫度上升到108K時, ?c ? ?D (弱簡并狀態(tài))。 經(jīng)歷(局部)爆炸性氦燃燒 —— He-閃ｍ > 2.2ｍ⊙當它們的中心溫度上升到108K時, ?c << ?D 星體核

27、心密度處于非簡并狀態(tài), 平穩(wěn)地點燃氦燃燒,紅巨星的結(jié)構(gòu),當核心溫度逐漸升到108 K，三alpha反應(yīng)可以進行，則進入另一個演化階段---紅巨星階段。,中、小質(zhì)量恒星的演化圖象,H-燃燒,,紅巨星,He-燃燒,主序星,C-O核心,,He-燃燒 殼層,,H-燃燒 殼層,,白矮星,,,1,3,2,4,AGB星,氦燃燒以后恒星內(nèi)部的核燃燒,碳燃燒: 12C + 12C 氖燃燒: 光致碎裂反應(yīng)導(dǎo)致元素重新組合氧燃燒:

28、 16O + 16O 硅燃燒(硅熔化):光致碎裂反應(yīng)導(dǎo)致元素重新組合 ? 鐵族元素的核合成 它們基本上都是由放熱核反應(yīng)組成，作為恒星強大輻射的能源。,中小質(zhì)量恒星的氦閃和碳閃,m≦0.07m⊙, 不能點燃H-燃燒, 褐矮星(Brown dwarf)0.07m⊙＜m≦0.5m⊙,不能點燃He-燃燒, He-白矮星+行星狀星云0.5ｍ⊙＜ｍ＜2.

29、2ｍ⊙,經(jīng)歷He-閃(太陽不可避免!!)2.2ｍ⊙＜ｍ＜(5-6)ｍ⊙，不經(jīng)歷He一閃 (ρc＜ρD)，平穩(wěn)He一燃燒 不能點燃C一燃燒 C-O白矮星+ 行星狀星云 (已發(fā)現(xiàn)幾十萬) (5-6)ｍ⊙＜ｍ＜(8-9)ｍ⊙，將出現(xiàn)失控C一燃燒 爆炸性C一燃燒m > 8m⊙ 點燃平穩(wěn)C-燃燒 ? 超新星,AGB星

30、,,,,,M < 8 M⊙,H-包層,H-燃燒殼層,He-燃燒殼層,,,C-O核心(電子簡并),在He燃燒殼層內(nèi)慢中子俘獲過程核合成(比鐵還重)重元素,很薄的H、He殼層燃燒在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，導(dǎo)致熱脈沖,26,白矮星的形成,當初始質(zhì)量小于 8 M⊙的恒星演化到紅巨星時候，會形成AGB星(具有C、O(電子)簡并核心和非常薄的He、H 燃燒殼層(熱力學(xué)上不穩(wěn)定),歷經(jīng)若干次熱脈沖(對M5M⊙恒星, 熱脈沖周期為幾十萬

31、年)在最后三次熱脈沖，其包層被拋射出去形成行星狀星云，而其核心就形成碳、氧白矮星。,27,不同質(zhì)量恒星的演化,,,0.08,,0.5,,8,40,,,107,108,109,1010,1011,,,,,,,褐矮星,C / O白矮星,He白矮星,中子星,黑 洞,M/ M⊙,Time / yr,超新星爆 發(fā),,0.01,?,恒星在赫羅圖上的分布特征,主序星,白矮星,紅巨星,藍超巨星,,,,,太陽附近：90% 主序星 9%

32、 白矮星 1% 紅巨星,恒星在赫羅圖上的演化,恒星的一生就是一部和引力斗爭的歷史！,恒星在一生的演化中總是試圖處于穩(wěn)定狀態(tài)（流體靜力學(xué)平衡和熱平衡）。當恒星無法產(chǎn)生足夠多的能量時，它們就無法維持熱平衡和流體靜力學(xué)平衡，于是開始演化。,恒星演化通常要經(jīng)歷：,核心氫燃燒的主序星階段(Main Sequence ),核心氫燃燒枯竭后的紅巨星階段(Red Giant Branch ),核心氦燃燒枯竭后的漸進巨星支階段(Asymptoti

33、c Giant Branch),熱脈沖形成行星狀星云和白矮星；或者進入碳主序,大質(zhì)量恒星形成洋蔥結(jié)構(gòu),質(zhì)量越大的恒星壽命越短，越早脫離主序。,赫羅圖脫離主序的位置對應(yīng)星團的年齡。,不同質(zhì)量恒星的演化和歸宿,34,致密天體,a M⊙ = 1.989 x 1033 g b R⊙ = 6.9599 x1010 cm,白矮星,質(zhì)量 M ~ 0.2-1.1 M⊙（平均 ~ 0.6 M⊙）半徑 R ~ 5×108-109 cm密度

34、ρ~105-107 gcm-3物質(zhì)成分與結(jié)構(gòu): C-O –Ne-Mg-Si… 晶體 (例: 金剛石、寶石)表面溫度 ~ 1 ? 104 K 內(nèi)部溫度 ~ 106 K自轉(zhuǎn)周期 P ≥10 sec無核燃燒 例: 天狼星(夜天空中最明亮的恒星)的伴星,中子星(脈沖星)性質(zhì)概要,質(zhì)量 ~ (0.2-2.5)M⊙ 半徑 ~ (10-20) km自轉(zhuǎn)周期 P

35、~ 1.5 ms –8s (己發(fā)現(xiàn)的范圍)中子星大氣層厚度 ~ 10 cm表面磁場: 1010-1013 Gauss (絕大多數(shù)脈沖星) (?)磁星 1014-1015 Gauss; 活動性: AXP(Lx~1034-1036ergs/s); SGRB (???)表面溫度:105-106K— 非脈沖(軟)x射線熱輻射;磁星: T表面>107K (?)脈沖星同超新星遺跡成協(xié)(?) 發(fā)現(xiàn)10個脈沖星的空間運動速度: 高速

36、運動。(???) 大多數(shù): V ~ (200 –500)km/s ; 5個: V >1000km/s 通常恒星(包括產(chǎn)生中子星的前身星): 20-50 km/s,94顆脈沖(單)星的空間速度,,,V (km/s) 脈沖星數(shù) 所占百分比 > 100 71 3/4

37、 > 300 36 38% > 500 14 15% > 1000 5 5%,為什么?不對稱的爆發(fā)或發(fā)射(輻射或中微子)導(dǎo)致非常巨大的 “kick”,

38、脈沖星空間速度方向同它的旋轉(zhuǎn)軸共線,,,,至少對Crab and Vela PSR (Lai, Chernoff and Cordes(20001)),Crab 星云脈沖星,年輕脈沖星的Glitch現(xiàn)象: (非常規(guī)則緩慢增長的)脈沖周期 (P) 突然變短現(xiàn)象,脈沖周期平穩(wěn)地增長背景上偶然地脈沖周期會突然變短(周期變化幅度為10-6-10-10), 隨后較之前更迅速地變慢，持續(xù)直到恢復(fù)過去的周期增長率。這種現(xiàn)象稱為Glitch現(xiàn)象

39、。 (至2005年底)已發(fā)現(xiàn)約72個脈沖星出現(xiàn)Glitch現(xiàn)象(共約189次),至少有8個脈沖星的Glitch幅度超過1.0×10-6。PRS Vela : 36年出現(xiàn)11次 Glitch ,其中9次的幅度超過1.0×10-6; PSR Crab: 36年出現(xiàn)19次Glitch,幅度超過1.0×10-6的僅1次;PSR 1737-30 呈現(xiàn)9次Glitch,它的最大幅度僅達到0.7×10-

40、6。 還發(fā)現(xiàn)更多脈沖星呈現(xiàn)微Glitch現(xiàn)象(周期變短幅度低于10-12),,,,,,,,,,,,,,,,,,,glitch,P,t,,,,中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu):中子超流渦旋運動,,,,,,,核心(1km),3P2(各向異牲) 中子超流渦旋區(qū),1S0 (各向同性) 中子超流渦旋區(qū),(5-8)% 質(zhì)子 ( II 型超導(dǎo)體?) (正常)電子Fermi氣體,,?= (g/cm3),1014,1011,107,內(nèi)殼超富中子核、晶體

41、、自由電子,外殼(重金屬晶體),,夸克物質(zhì) ???,5×1014,104,電子氣體為超相對論簡并(非超導(dǎo))中子(質(zhì)子)氣體為非相對論簡并,1S0 與 3PF2 中子超流體,1S0中子超流渦旋1S0 中子Cooper 對: 自旋=0, 各向同性 1S0 中子能隙 :△(1S0) ≥ 0, 1011 < ρ(g/cm3) < 1.4×1014 △(1S0)≥2MeV 7×

42、;1012 <ρ(g/cm3)< 5×1013,,,3PF2中子超流渦旋(3PF2中子Cooper 對: 自旋=1, 各向異性, 具有(反常)磁矩 ~10-23 c.g.s.)3PF2中子能隙 :△ n(3PF2) ? {△ n(3PF2) }max ～0.05MeV (3.3?1014 < ? (g/cm3) < 5.2?1014),脈沖星輻射的磁偶極模型(標準模型,1969 ),輻

43、射功率自轉(zhuǎn)能減慢 磁場特征年齡,,,脈沖星自轉(zhuǎn)減慢機制（現(xiàn)有理論）,磁偶極模型(標準模型, 1968)超流渦旋的中微子輻射 (Peng , Huang2, 1982)(混雜模型)盤吸積模型脈沖星表面電流效應(yīng)誕生初期的引力波輻射磁層表面歐姆加熱,比較,磁偶極輻射模型(標準模型),(我們的)混雜模型,,? < 3 ? n <3,Malov統(tǒng)計(2001,Astronomy Reports, Vol.45

44、,389) И.Φ. MaЛОВ, , 2004,(p.83),Log(dP/dt)-15=(1.75?0.56)logP – (0.01 ? 0.15) (對 P > 1.25s 脈沖星 (87個) ),對 P > 1s.25 脈沖星 自轉(zhuǎn)減慢只能由中國小組的NSV(中子超流渦旋)模型描述; 對 0s.1 < P < 1s.25 脈沖星自轉(zhuǎn)減慢可由磁偶極輻射和NSV輻射聯(lián)合模型來描述。,Peng,

45、Huang & Huang 1980; Peng, Huang & Huang, 1982 ; Huang, Lingenfelter, Peng and Huang, 1982,我們感興趣的脈沖星重要疑難問題,1.脈沖星的自轉(zhuǎn)減慢機制? (1980-1982)Δ2.脈沖星的加熱機制? (1980-1982) Δ3.高速中子星問題: 中子超流渦旋的中微子輻射火箭噴流模型(2003) Δ 4.年輕脈沖星Glit

46、ch的物理起源:(中子星加熱機制的改進) 模型I: 中子星內(nèi)正常(Fermi)中子相和3P2 超流相間的相震蕩模型(2006) Δ 模型II: 中子星內(nèi)3P2 超流體的A相與B間的相震蕩模型(2007) Δ5. 中子星強磁場的物理起源 (2007, MNRAS)6.磁星超強磁場的物理本質(zhì)問題以及和磁星活動性物理原因(2007)Δ7.毫秒脈沖星特性:弱磁場、無Glitch、較低空間速度,物理原因? 8. 低