小質(zhì)量恒星的演化

1、天文學(xué)導(dǎo)論,第9講 小質(zhì)量恒星演化,It is said an Eastern monarch once charged his wise men to invent him a sentence to be ever in view, and which should be true and appropriate in all times and situations. They presented him

2、the words: “And this, too, shall pass away.”Abraham Lincoln (1809-1865)September 30, 1859,本講內(nèi)容,小質(zhì)量恒星（太陽）的主序后演化紅（超）巨星行星狀星云（地球的命運(yùn)）白矮星小質(zhì)量雙星的演化激變變星新星Ia（熱核）超新星,主序后恒星的演化,星際云坍縮為巨大的原恒星，由氣體和塵埃組成的盤所環(huán)繞遺留在盤內(nèi)的氣體和塵埃聚積成行星及其衛(wèi)

3、星、小行星和彗星等原恒星繼續(xù)坍縮直到核心的H點(diǎn)燃而成為主序恒星主序恒星：恒星核心的H在燃燒恒星最終會(huì)耗盡其核心的H燃料：結(jié)構(gòu)開始劇變，開始快速演化最終坍縮成為沒有核燃料的致密天體,每顆恒星都是唯一的,初始質(zhì)量和化學(xué)豐度決定一個(gè)恒星的命運(yùn)主序壽命，（赫羅圖）演化路徑，結(jié)束方式一個(gè)（孤立）恒星形成之時(shí)就確定了它的演化程小質(zhì)量恒星和大質(zhì)量恒星的演化十分不同大致區(qū)分為兩類：小質(zhì)量恒星 3 Msun,,當(dāng)主序恒星核心區(qū)的氫完全

4、耗盡，恒星開始脫離主序，演化加快，出現(xiàn)一系列壯觀景象,小質(zhì)量恒星的演化,大質(zhì)量恒星的演化,1。小質(zhì)量恒星的主序后演化,以類太陽恒星演化作為小質(zhì)量恒星演化的代表，以此來了解太陽轟轟烈烈的一生相似的初始質(zhì)量（M ~1M⊙）相似的初始化學(xué)成分（~太陽元素豐度）,1.1 亞巨星支 Sub-giant Branch(SB),核心H枯竭(變?yōu)镠e核)，殼層H燃燒 ? 主序生活結(jié)束，開始快速演化He核收縮 ? 殼層引力增加 ? 殼層壓力增加

5、?殼層H燃燒率加快（He核質(zhì)量增加）? 恒星更亮，但體積膨脹 ? 表面溫度降低 ? 恒星更紅！,亞巨星結(jié)構(gòu)： 非燃燒He核 + 殼層H燃燒 + 非燃燒H包層,,在H-R圖上, 恒星漸漸向右脫離主序(1?2), 稱為亞巨星支體積膨脹 ? 表面溫度降低，但光度增加亞巨星的溫度下降大約1,000K,,,1.2 紅巨星支 Red Giant Branch (RGB),非燃燒He核繼續(xù)坍縮，He核半徑減小，He核溫

6、度上升 ? 殼層H燃燒率更快（He核質(zhì)量增加）? 光度增加 ? 恒星包層膨脹 ? 表面溫度降低 ? … ? … ? RGBHe核體積持續(xù)縮小?電子開始簡并(壓),,紅巨星結(jié)構(gòu)： 非燃燒簡并He核+ 燃燒H殼層 + 非燃燒H包層,簡并：泡利Pauli不相容原理,量子力學(xué)：質(zhì)量大粒子占據(jù)空間小！? 電子先簡并,客滿,客滿,自旋朝上,自旋朝下,能級(jí)1,能級(jí)2,,由于H–的調(diào)節(jié) ? RGB表面溫度變化不大在H-R圖

7、上，恒星向右上方幾乎垂直攀升成為紅巨星（2?3) ：顏色紅體積大（亮）反向林忠四郎線 ：原恒星?主序星：H–調(diào)節(jié),,恒星沿RGB是加速向上攀升的,H殼層燃燒 ? He核質(zhì)量增加 ? 電子簡并度增加 ? 導(dǎo)致He核繼續(xù)收縮（溫度升）? 引力更強(qiáng) ? H燃燒殼層壓力更大 ? 更快H殼層燃燒 ? He核質(zhì)量增加更快 ? …(相互促進(jìn)） ? 恒星光度加速上升 ? 恒星沿RGB是加速攀升的！太陽從主序到RGB最頂端大約要2億年SB 階段：

8、 L ? 10LsunRGB 階段：10Lsun? 1,000Lsun 半徑增大為100倍太陽半徑,太陽成為紅巨星,1.3 氦閃 (Helium flash),He核質(zhì)量繼續(xù)增加且繼續(xù)收縮 ? 引力更大 ? H殼層燃燒更快，且加熱He核（由引力能） ? …當(dāng)He核的溫度上升到約108 K時(shí)，He開始燃燒 (3 alpha 過程：3He ? C) ? 恒星攀升到RGB的頂點(diǎn)（3）,,由于簡并，He核溫度上升但不膨脹,簡

9、并He核是很好的熱導(dǎo)體，一旦He核的中心燃燒 ? 幾分鐘內(nèi)加熱整個(gè)He核，瞬間整個(gè)He核溫度相同 ? 整個(gè)He核燃燒He核電子簡并 ? He核燃燒， He核雖溫度上升但壓力不增加（簡并壓主導(dǎo)）? 簡并He核不膨脹（簡并氣體不滿足理想氣體狀態(tài)方程?。┖啿e核的溫度上升 ? He燃燒率加快 ? 溫度上升加快 ? He燃燒率加快 ? ….. ? 溫度上升和He燃燒率加快相互促進(jìn),氦閃后，電子簡并解除,因此，簡并He核的突然燃燒是處于失控

10、狀態(tài)，故稱為氦閃T =1億 K ?1.1億K: 反應(yīng)率增加40倍? T =2億 K ?反應(yīng)率增加4.6億倍數(shù)秒鐘之內(nèi)，溫度上升 ? 熱壓 大于 簡并壓 ? He核膨脹冷卻 ? 電子簡并解除He燃燒是以He閃的方式開始，但氦閃僅持續(xù)數(shù)小時(shí)氦閃是理論推算，至今仍未觀測到,,He閃所產(chǎn)生的巨大能量用來抗衡引力和膨脹 He核? 氦閃后, 非簡并He核變得很大 ? 引力減弱 ? He燃燒核心和H燃燒殼層的壓力減小 ? 核反應(yīng)率明顯降低

11、? 恒星光度明顯下降，僅有He閃時(shí)的1/100（包層收縮）恒星進(jìn)入一個(gè)新的穩(wěn)定態(tài)：He在正常的非簡并的核內(nèi)燃燒成為C，H在殼層內(nèi)燃燒成為He,,,1.4 水平支 Horizontal Branch (HB),He閃后，光度降低 ? 恒星（H包層）收縮 ? 表面溫度上升 ? 恒星向左下方移至水平支（3?4） t=100,000 years,,,恒星的化學(xué)成分決定其在水平支上的位置：化學(xué)成分和太陽類似的小質(zhì)量恒星將只聚集在RGB的

12、左側(cè)Fe豐度比太陽小的恒星趨于分布在遠(yuǎn)離RGB的準(zhǔn)水平線上稱為水平支（HB）星,,,HB星結(jié)構(gòu),穩(wěn)定He 核燃燒 + （+ 非燃燒He殼層）+ H殼層燃燒非燃燒H包層,HB星和主序星的比較,HB恒星非常類似于主序恒星（結(jié)構(gòu)、行為）MS 星：穩(wěn)定的、非簡并的核心H燃燒HB 星：穩(wěn)定的、非簡并的核心He燃燒 (和殼層氫燃燒)HB星保持穩(wěn)定僅5千萬年 (He?C, H?He)：核心區(qū)的燃料變少He 燃燒的能量轉(zhuǎn)換效率比H

13、低許多HB星更亮 ? 必須更快消耗燃料恒星離開 HB 類似于離開 MS （作H ? He, He ? C替換）?,1.5 漸進(jìn)巨星支 Asymptotic Giant Branch (AGB),在HB階段，C不燃燒（T不夠高）? C 堆積在核心當(dāng)核心He枯竭 ? 引力 > 壓力 ? C核坍縮至電子簡并 ? C核半徑減小，引力上升 ? 殼層壓力上升 ? 加快殼層He和殼層H的燃燒 ? 簡并 C 核質(zhì)量 (非半徑，仍坍縮) 增

14、長加快 ?引力上升加快? 殼層壓力上升加快 ? …因此恒星光度上升加快 ? 恒星半徑增大加快 ? （H-） 表面溫度大致不變 ?,,類似于RGB, 恒星再次向右上方加速攀升為紅超巨星 (4?5)在H-R圖上的路徑非常類似于RGB (2?3)，故稱為 AGB，這個(gè)階段的星稱為AGB星（紅超巨星）,,,AGB星結(jié)構(gòu),簡并非燃燒C核 + He 殼層燃燒 + （非燃燒He殼層 +）H殼層燃燒 + 非燃燒H包層 ? C核：

15、質(zhì)量增加，繼續(xù)收縮，溫度升高,*MS, RGB, HB and AGB星的結(jié)構(gòu)比較*,,,,,,當(dāng)?shù)紸GB頂端（5）時(shí)，光度的顯著增加 + 恒星的顯著膨脹 ? 開始拋射冷的外層（引力微弱），最終留下一顆“裸露”的高溫C核心,,太陽的C 核不會(huì)燃燒！,簡并C 核質(zhì)量 (和溫度T) 增加 ? 加快殼層He 和 H燃燒 ? … ? 互相促進(jìn) ? … （C 核收縮）AGB 星類似于RGB星? C (閃) ?決不會(huì)（對(duì)太陽）！更大質(zhì)量恒星可

16、以1 Msun AGB星 ? 數(shù)百倍Rsun ? 膨脹并吞食內(nèi)行星軌道，可能包括地球雖然50億年后發(fā)生， 但遠(yuǎn)在此之前（~10億年后），地球?qū)?huì)由于太陽光度的增加而被烤焦！,地球的命運(yùn)？,數(shù)十億年后，主序后半段，太陽膨脹~1.4倍，地球溫度上升，地球上的海洋蒸發(fā)。太陽在變大，地球失去大氣，許多隕石坑。灼熱的煉獄之地作為紅巨星的太陽，顏色偏紅，火紅的太陽將占據(jù)地球的大半天空地球未來的兩種可能，還沒有定論被膨脹的太陽“吞沒”（可能

17、性較大，據(jù)最新理論）不被太陽“吞沒”，繼續(xù)圍繞那個(gè)“太陽”公轉(zhuǎn),地球被膨脹的太陽“吞沒”,大約77億年后，太陽將膨脹（~200倍）到差不多地球現(xiàn)在軌道的位置水星和金星早已被太陽吞沒紅巨星的大氣稀薄，地球短時(shí)間內(nèi)仍能在其大氣中作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于摩擦，地球失去速度，從而沿一條螺旋軌道向太陽中心“掉落”，最終撞進(jìn)太陽高溫部分，蒸發(fā)消失,地球不被太陽“吞沒”,太陽風(fēng)釋放質(zhì)量，因而引力減弱，結(jié)果地球公轉(zhuǎn)軌道比現(xiàn)在向外移動(dòng)不少，有可能不被膨脹的

18、太陽“吞沒”水星和金星自然是沒有了太陽（碳核）坍縮變?。?白矮星），地球仍是一顆行星，將一如既往地公轉(zhuǎn)不停地球外側(cè)行星軌道同樣外移一些，繼續(xù)公轉(zhuǎn),1.6 恒星質(zhì)量損失 Stellar mass loss,1個(gè)太陽質(zhì)量主序星演化到HB星階段要損失10%-20%的質(zhì)量。演化到AGB星時(shí)再損失其質(zhì)量的20%。因此結(jié)束AGB星階段時(shí)， 1 Msun主序星的質(zhì)量小于0.7 Msun 在AGB結(jié)束時(shí)，恒星質(zhì)量損失失控質(zhì)量損失?更弱的

19、引力?更快的質(zhì)量損失?“更”更弱的引力?…?質(zhì)量損失越來越厲害，拋射速度~20 -30 km/s,留下熾熱的簡并C核,殼層He（和H） 快速燃燒（完）為 C ? “裸露”C核質(zhì)量增加 + 收縮 ? C核變得越來越熱? 恒星在H-R圖的頂部快速從右向左移動(dòng) （5?6，約5萬年）“恒星”表面溫度最終可達(dá)> 105 K ? 主要輻射高能紫外光 (峰值波長 29 nm)強(qiáng)烈的紫外輻射加熱和電離膨脹的致密氣體包層而發(fā)光，即行星狀星云,,

20、1.7 行星狀星云 Planetary Nebulae,行星狀星云通常是低質(zhì)量恒星在死亡時(shí)所拋出的氣體包層，受到中心高溫“白矮星”的輻射，電離而發(fā)光行星狀星云常為環(huán)形，環(huán)繞著恒星演化后所遺留下來的白矮星。氣體殼層不斷膨脹，年齡不超過 5 X 104 年,螺旋星云 Helix Nebula,The Ring Nebula 環(huán)狀星云,Top: a famous planetary nebula called the Ring Nebul

21、a (M57), as it appears through a small amateur telescope, shows why astronomer thought these objects looked like planetsBottom: however, an HST image of the ring shows the remarkable and complex structure of this expand

22、ing shell of gas,？,HST 杰作：動(dòng)物園, ……,Planetary nebulae are not all simple spherical shells around their parent stars These HST images show a wealth of structure resulting from complex processes by which low-mass stars ejec

23、t their outer layers.Thus, they earns names like Owl Nebula, Clown Nebula, Cat’s Eye Nebula, and Dumbbell, …,貓眼星云,The Cat's Eye Planetary Nebula as seen by HST (right) and Chandra (left),蝴蝶星云 Butterfly Nebula,沙漏星云,啞

24、鈴星云 Dumbbell Nebula,愛斯基摩星云 The Eskimo Nebula,1.8 成為白矮星,后AGB星燃燒完所有殼層（表面）燃料 ? 僅剩下質(zhì)量約為 0.6Msun 不能燃燒的簡并的 C 球 ? 光度驟降，溫度變化不大（收縮和引力能）?在 H-R 圖的最左側(cè)垂直下落(6?7)，恒星越來越弱小幾千年內(nèi)，非燃燒的核心收縮成地球大小，此時(shí)（整個(gè)星體）完全電子簡并，抗衡引力，不再收縮簡并的恒星灰燼稱為（碳）白矮星，很熱

25、但很小,,1.9 白矮星冷卻為黑矮星,白矮星熱輻射 ?白矮星持續(xù)冷卻電子簡并 ? 其大小幾乎不變在H-R圖上, 沿等半徑線向右下方移動(dòng) （7? 8……） 白矮星可保持很熱約1千萬年，最終光度可降為原主序星的1/1000 ? 黑矮星,,,值得記住這個(gè)超密球（一茶匙一噸的密度），其生命實(shí)際上于100多億年前開始于一個(gè)比地球上最好的真空還要稀薄100億倍的星際分子云核！一個(gè)紀(jì)元的終結(jié)...... 另一個(gè)新紀(jì)元的開端,2。白矮星 Wh

26、ite Dwarfs (WD),白矮星是密度高、體積小、光度低、表面溫度高的白色星絕對(duì)星等 Mv ~ 8m-16m ? 光度很低有效溫度 Teff ~ 5×103- 4×104 K：光譜O到K型暗弱 ? 僅很近的白矮星才易觀測到已知白矮星約1500顆，估計(jì)銀河系恒星級(jí)天體總數(shù)的10%或更多是白矮星單星或雙星成員,白矮星的形成機(jī)制（簡寫版）,A white dwarf is the product of

27、a low mass star (with initial mass < ~3M⊙). After the star becomes a red giant, it will ejects its envelope as a planetary nebula, while the remains will shrink into a very compact core of carbon/oxygen, and that is w

28、hite dwarf,天狼星雙星中的白矮星,利用天體測量方法，發(fā)現(xiàn)最亮的恒星天狼星A有一顆暗淡的伴星B，是一個(gè)雙星系統(tǒng),,Sirius A and B. The arrow points to Sirius B, a white dwarf star. Optical from Lick observatory (left) and X-ray from Chandra (right),,確定天狼B是白矮星,天狼星（Sirius）雙星

29、，Porb= 50年 天狼A：mv = -1.45m，Mv = 1.4m 天狼B：mv = 8.68m， Mv = 11.6m,軌道運(yùn)動(dòng) → M = 1.05 M⊙,Teff = 2.6×104 K → R ≈ 5×108 cm,r = 3.8×106 gcm-3,,,天狼B是白矮星,球狀星團(tuán)中有大量白矮星,在H-R圖上白矮星位于主序帶的左下方,球狀星團(tuán) M4 包含大約 100

30、,000 顆恒星，其中 40,000 估計(jì)為白矮星,,白矮星的結(jié)構(gòu),質(zhì)量M ~ 0.2-1.1 M⊙ （平均 ~ 0.6 M⊙）半徑R ~ 5×108 -109 cm (~ 地球大?。┟芏圈褈105-107 g cm-3自轉(zhuǎn)周期 P≥10 秒,為什么白矮星密度如此之高反而穩(wěn)定？,1924年，愛丁頓：內(nèi)部高溫原子失去電子，（比原子小得多的）裸原子核可以擠在一起，導(dǎo)致高密度（×）1926年，福勒R. H. Fow

31、ler：白矮星內(nèi)部電子氣的簡并壓力可以抗衡引力，維持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與理想氣體不同，簡并電子壓力與溫度無關(guān)在高溫、高壓和高密時(shí)，簡并電子壓力可以大大超過通常的氣體壓力，足以抗衡向內(nèi)的引力而使白矮星有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),簡并電子氣,高溫→原子電離→自由電子高密 → 電子簡并 → 泡利 不相容原理 → 簡并電子壓力，與密度正相關(guān)非相對(duì)論性情形 ：Pe ~ρ5/3 相對(duì)論性情形 ：Pe ~ρ4/3,白矮星的冷卻,內(nèi)部沒有核聚變產(chǎn)生能源，也沒有引

32、力（收縮）能依然通過內(nèi)部（簡并）儲(chǔ)存的熱能傳導(dǎo)到表面來維持發(fā)出微弱的光芒白矮星只不過在變得越來越冷、越來越暗！但大小保持不變,白矮星的質(zhì)量—半徑關(guān)系,與主序星迥然不同,壓力（非相對(duì)論）dP/dR ~ P/R ~ρ5/3/R ~ M5/3/R6,引力g~ρM/R2~ M2/R5,,,白矮星質(zhì)量越大，其半徑越小 !,R/RSun = (M/MSun)0.8,質(zhì)量增加，引力增加比簡并壓力增加快,隨著白矮星質(zhì)量增大，其半徑減小，電子被積

33、壓在更小的空間內(nèi)，簡并電子氣運(yùn)動(dòng)變成相對(duì)論性的→ 當(dāng)質(zhì)量增大，引力比壓力增大得更快→ 白矮星質(zhì)量上限（引力 > 壓力）對(duì)He白矮星， Mch≈1.44 M⊙對(duì)C / O白矮星，Mch≈1.4 M⊙,g ~ρM/R2~ M2/R5,錢德拉塞卡Chandrasekhar極限質(zhì)量,dP/dR ~ρ4/3/R ~ M4/3/R6,1932，朗道預(yù)言，1935 錢德拉塞卡計(jì)算,1983諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),3。小質(zhì)量雙星的演化,小質(zhì)量恒

34、星演化最明顯復(fù)雜性來自于雙星系統(tǒng)同為主序恒星時(shí)，雙星的相互影響可能很小質(zhì)量較大恒星先離開主序膨脹，其外層物質(zhì)能夠穿越界定雙星各自引力范圍的分界線而流入質(zhì)量較小伴星，并加快其演化質(zhì)量較大恒星首先演化為白矮星，與質(zhì)量較小恒星組成一個(gè)由白矮星和“正常恒星”組成的雙星系統(tǒng)質(zhì)量較小恒星也離開主序而膨脹，其物質(zhì)又返流到白矮星（原質(zhì)量較大恒星）,3.1 激變變星 Cataclysmic Variables (CVs),白矮星與（演化的）恒星

35、[紅巨星]構(gòu)成的相接雙星白矮星通過吸積伴星的物質(zhì)產(chǎn)生紫外和X射線輻射（吸積盤輻射）,在密近雙星中，伴星充滿洛希（Roche）瓣進(jìn)行物質(zhì)交流,3.2 新星 Novae,白矮星通過吸積盤源源不斷地吸積伴星物質(zhì)，富氫物質(zhì)堆積在白矮星表面，形成一個(gè)H的包層或“海洋”。當(dāng)其溫度上升到氫能燃燒時(shí)就導(dǎo)致吸積白矮星表面的失控?zé)岷朔磻?yīng) (H?He)，即產(chǎn)生新星,激變變星是新星的前身星progenitor,新星：白矮星表面爆發(fā)性的氫燃燒盡管只觀測到許

36、多激變變星的一次新星爆發(fā)，但其一生中可能會(huì)經(jīng)歷多次新星爆發(fā)對(duì)于一個(gè)激變變星系統(tǒng)，新星再發(fā)周期~105 年銀河系每年產(chǎn)生約 50 顆新星，但由于星際消光每年發(fā)現(xiàn)僅 2-3 顆新星,新星的觀測特征,在幾天到幾星期內(nèi)亮度增加致其視星等減小7-16星等，然后緩慢下降，經(jīng)幾個(gè)月或幾年回復(fù)到原先狀態(tài),輻射主要在光學(xué)和紫外波段 爆發(fā)時(shí)的能量釋放率 ~ 1045-1046 erg s-1 拋射約10-5-10-3 M⊙ 的物質(zhì)，拋射物質(zhì)速度

37、~100-5000 kms-1,光變曲線,Nova Herculis 武仙座1934,爆發(fā)時(shí)星等為3m ?兩個(gè)月后星等為12m ?40年后向外拋射物質(zhì)的半徑達(dá)0.05光年,Nova Cygni 天鵝座1975,爆發(fā)時(shí)星等為2m ?爆發(fā)后降為15m ?,,The ejected envelope is visible as a limb-brightened shell expanding away from

38、 the binary at speeds of a few hundred to a few 103 km/s,,Nova Cygni 1992 (HST),雙星,再發(fā)新星（recurrent novae）,觀測到不止一次類似新星爆發(fā)的激變變星典型的爆發(fā)間隔約10-100年（觀測到的?。?同心圓knots,T Pyxidis (羅盤座) 新星爆發(fā)間隔約20年,,當(dāng)吸積白矮星的質(zhì)量達(dá)到錢德拉塞卡（~1.4太陽質(zhì)量）極限，白矮星開始坍縮

39、升溫，內(nèi)部C和O的爆燃產(chǎn)生Ni-56?衰變產(chǎn)能整個(gè)星體被炸光，釋放巨大能量，其殘骸以~104 kms-1的速度向外膨脹超新星爆發(fā)的極大光度達(dá)~3×109L⊙兩顆白矮星并合?（1個(gè)）超亮Ia SN？,3.3 Ia 型超新星 Type Ia supernova (SN),熱核爆炸超新星,Ia 型超新星又稱（吸積白矮星的）熱核爆炸超新星Ia 超新星爆發(fā)所釋放的能量相當(dāng)于太陽在100億年主序生涯中所發(fā)能量之和的100倍短

40、時(shí)間內(nèi)光度可達(dá)太陽的100億倍，可能亮過其所在星系本身類似銀河系大小的星系大約每100年發(fā)生一次Ia型超新星爆發(fā),Type Ia Supernova 1994D in NGC 4526,SN1998aq in NGC3982, Ia, 18.4mag,,SN1998bu in NGC3368, Ia, 13mag,Ia 型超新星光變曲線的特征,超新星爆后大約20天光度達(dá)到最大值然后光度開始衰減：大約第一個(gè)月快速衰減：Ni-56(