恒星的形成与演化.ppt

2019/11/22,1,第三章恒星的形成与演化,恒星形成恒星结构元素合成恒星演化超新星密近双星,2019/11/22,xkong,2,恒星形成,Studyingthischapterwillenableyouto:Discussthefactorsthatcompeteagainstgravityintheprocessofstarformation.Explainhowtheprocessofstarformationdependsonstellarmass.Describesomeoftheobservationalevidencesupportingthemoderntheoryofstarformation.Explainthenatureofinterstellarshockwaves,anddiscusstheirpossibleroleintheformationofstars.,2019/11/22,xkong,3,2019/11/22,xkong,4,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？,2019/11/22,xkong,5,Howdostarsform?Whatfactorsdeterminethemasses,luminosities,anddistributionofstarsinourGalaxy?Whatdetermineswhichinterstellarcloudscollapse?引力！引力为天体和整个宇宙动力学的支配者,2019/11/22,xkong,6,2019/11/22,7,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:原子/分子/尘埃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,2019/11/22,xkong,8,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：,JamesJeans1877-1946,2019/11/22,xkong,9,中性氢云：n1cm-3,T100KMJ3104M暗分子云：n106cm-3,T10KMJ1MJeans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),金斯（Jeans）不稳定性,2019/11/22,xkong,12,其它影响恒星形成的因素：,能量的有效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Rotationthatis,spincanalsocompetewithgravitysinwardpull,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。,2019/11/22,xkong,13,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。,Magnetismcanhinderthecontractionofagascloud,especiallyindirectionsperpendiculartothemagneticfield(solidlines).Frames(a),(b),and(c)tracetheevolutionofaslowlycontractinginterstellarcloudhavingsomemagnetism.,2019/11/22,xkong,14,演化轨迹：eachforafixedmassatdifferenttimes等年龄线：eachforafixedtimeanddifferentmasses,2019/11/22,xkong,15,类太阳质量恒星的形成,星云的快速收缩过程(密度小，辐射透明，等温收缩)1.星际云(interstellarcloud):星际云坍缩，并分裂成小云块(密度上升，金斯质量减小)2.星云块(cloudfragments):星云仍十分稀薄，热量可以不受阻碍地散逸，星云内的温度没有明显上升,2019/11/22,xkong,16,3.碎裂停止(fragmentationceasess):星云进一步坍缩和分裂，密度上升。核心区域变得不透明，温度迅速上升，金斯质量增大。星云停止分裂。(等温收缩绝热收缩）,2019/11/22,xkong,17,4.形成原恒星(protostar):星云快速收缩过程结束，引力几乎和气体压力相等。恒星已经变得不透明，辐射只能从表面逸出，中心温度迅速升高。5.原恒星演化(protostellarevolution):原恒星向主序演化为主序前星，但内部温度还没有升高到H点火温度,2019/11/22,xkong,18,2019/11/22,xkong,19,6.零龄主序(zero-agemain-sequencestars):恒星热核反应(H燃烧)开始进行，成为零龄主序恒星。光度约为现在太阳光度的2/3。7.主序星(main-sequencestars):恒星略微收缩，完全达到流体静力学平衡，成为正常恒星.,2019/11/22,xkong,20,Evolutionofa1-Solar-MassStar,2019/11/22,xkong,21,PrestellarevolutionarypathsforstarsmoremassiveandlessmassivethanourSun.,2019/11/22,xkong,22,不同质量的恒星在形成过程中，在H-R图上沿不同的路径演化。小质量原恒星内部对流发展充分，温差小，收缩时表面温度几乎不变；大质量原恒星对流层浅，温度变低。质量越高的恒星，其原恒星演化到主序的时间越短，在主序上的位置越高。,具有不同质量恒星的形成,2019/11/22,xkong,23,FormationofMassiveStarsandClusters,MassivestarshavemassesthataremuchlargerthantheJeansmassinthecloudcoreswheretheyform.Thelargecloudcoresmightcontainmanysmallboundclumps.Thesecoresmightformgroupsorclustersofstars.,NGC3603,2019/11/22,xkong,24,褐矮星(BrownDwarfs),Masses0.08M(10MJ-84MJ)CentralTe3millionKSurfacetemperature1000K,TWA5anditsbrowndwarfcompanioninInfrared(left)andinX-ray(right).,2019/11/22,xkong,25,DifferencesbetweenbrowndwarfsandplanetsPlanetsaresmallerandlighterPlanetshaveasolidcoreTheyareformedinacompletedifferentway,2019/11/22,xkong,26,初始质量函数(InitialMassFunction),Generallymorelow-massthanhigh-massstarsformwhenaninterstellarcloudfragments.Thestellarinitialmassfunction(IMF)describestheprobabilityofastarformingwithaparticularmass.,ForSalpeterIMF,x=1.35,2019/11/22,xkong,27,恒星形成理论的观测证据,Theevolutionarystagesdescribedarederivedfromnumericalexperimentsperformedoncomputers.,2019/11/22,xkong,28,EVIDENCEOFCLOUDCONTRACTION,TheM20regionshowsobservationalevidenceforthreebroadphasesinthebirthofastar:(1)theparentcloud(stage1),(2)acontractingfragment(betweenstages1and2),and(3)theemissionnebula(M20itself)resultingfromtheformationofoneormoremassivestars(stages6and7),2019/11/22,xkong,29,EVIDENCEOFCLOUDFRAGMENTS,(a)Orion(b)enlarged.Thethreeframesatrightshowsomeoftheevidenceforthoseprotostars.(c)someintenselyemittingmolecularsites.(d)visibleimageofembeddednebularknotsthoughttoharborprotostars.(e)severalyoungstarssurroundedbydisksofgasanddustwhereplanetsmightultimatelyform.,Orion,2019/11/22,xkong,30,HST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。OrionNebula,2019/11/22,xkong,31,猎户星云缩小图,最大恒星,darkredcolumn,Failingstars,Sculptingthelandscape,Pillarsofgas,2019/11/22,xkong,32,ImagefromSpitzerandHSTwavelengthsof0.43,0.50,and0.53micronsisblue.Lightwithwavelengthsof0.6,0.65,and0.91micronsisgreen.Lightof3.6micronsisorange8-micronlightisred.,2019/11/22,xkong,33,2019/11/22,xkong,34,EVIDENCEOFPROTOSTARSAninfraredimageofthenearbyregioncontainingthesourceBarnard5(indicatedbythearrow,asolar-massprotostar).Onthebasisofitstemperatureandluminosity,Barnard5appearstobeaprotostarontheHayashitrackintheHRdiagram,aroundstage5.,2019/11/22,xkong,35,HST在可见光波段拍摄了这个鹰状星云中的“诞生柱”，并且使得它扬名全球。GasPillarsintheEagleNebula(M16):PillarsofCreationinaStar-FormingRegion,2019/11/22,xkong,36,2019/11/22,xkong,37,Spitzer:心宿增四星云内的年轻恒星.发现大约有300颗正在出现和新形成的恒星，平均年龄在估计只有30万年,2019/11/22,xkong,38,疏散星团的H-R图,星团NGC2261的H-R图：原恒星到达主序的位置和时间随质量的变化。,2019/11/22,xkong,39,(1)激波压缩超新星爆发、热星辐射或银河系旋臂转动等过程产生激波。激波压缩附近的星云，使其密度增大，触发恒星的形成。恒星形成过程可能类似于链式反应。,星云M20中的激波压缩效应,星云坍缩的触发机制,2019/11/22,xkong,40,恒星诞生膨胀激波新生恒星,2019/11/22,xkong,41,2019/11/22,xkong,42,(2)星云碰撞,星系自转，它的组成物质在运动中穿旋臂而过，恒星偕同星际物质在这样的过程中都是由弯曲旋臂的内侧进去，再从外侧出来。星系物质穿越密度较大的旋臂，引起产星过程。,2019/11/22,xkong,43,2019/11/22,xkong,44,Stepstotheformationofstarsandplanets:Cloudsofgasformwithingalaxies.Formationofstructurewithinthegasclouds,duetoturbulenceandactivityofnewstars.Randomturbulentprocessesleadtoregionsdenseenoughtocollapseundertheirownweight,inspiteofahostileenvironment.Asblobcollapses,adiskforms,withgrowingprotostaratthecenter.Atthesametime,bipolaroutflowsfromformingstar/disksystembegin.,2019/11/22,xkong,45,Materialisprocessed,movinginfromtheblobtothedisk.Whatisnotlostintheoutflowbuildsupontheprotostar.Whentheprotostarbeginstoundergofusion,itbecomesarealstar.Oncetheoutflowceasesandtheaccretionphasethatleadtothebuildupofthestarends,adiskofleftovermaterialisleftaroundthestar.Atorneartheendofthestar-formationprocess,theremainingmaterialinthecircumstellardiskformsavarietyofplanets.Eventually,allthatisleftbehindisanewstar,perhapssomeplanets,andadiskofleft-overground-upsolids,SELF-TEST:TRUEORFALSE?Giventhetypicaltemperaturesfoundininterstellarspace,acloudcontainingasfewas1000atomshassufficientgravityforittobegintocollapseBothrotationandmagneticfieldsacttoacceleratethegravitationalcollapseofaninterstellarcloud.Thetimeasolar-typestarspendsformingisrelativelyshortcomparedtothetimeitspendsasamain-sequencestar.Starsevolvealongthemainsequence.Moststarsformasmembersofgroupsorclustersofstars.Browndwarfstakealongtimetoformbutwilleventuallyarriveasstarsonthelowermainsequence.Shockwavesforstarformationcanalsobeproducedbylargestarsmovingrapidlythroughtheinterstellarmedium.Instarformation,moreG,K,andMstarsformthanOandBstars.Thegasinanemissionnebulaeventuallydissipatesintospace,leavingbehindastarclusterStarclusterseventuallydissipate,leavingbehindindividualstarsliketheSun.,2019/11/22,xkong,46,2019/11/22,xkong,47,第三章恒星的形成与演化,恒星形成恒星结构元素合成恒星演化超新星密近双星,2019/11/22,xkong,48,恒星结构,恒星结构：研究恒星内部发生的各种物理过程，和由这些过程决定的恒星特征量特征参量：内部的密度、压强、温度、辐射、化学组成，以及它们的分布研究手段：理论观测合理的简化假设建立基本方程组相关的边界条件恒星的物态方程求解基本方程组与观测比较检验,2019/11/22,xkong,49,孤立的体系：只受到自引力和内部压力的作用球对称体系：同心球层所组成，每一球层内物理化学性质均匀，3D1D简单的体系：忽略磁场、潮汐力和自转的影响稳定的体系：内部满足流体静力学平衡,m,l,P,T,r,M,L,0,Teff,X,Y,Z,0,0,Pc,Tc,Centre:r=0,Surface:r=R,简化假设,恒星在自身引力和内部压力作用下内部有辐射转移的流体球,满足无磁场/非相对论和球对称条件.,2019/11/22,xkong,50,基本方程组,1.质量分布方程考虑质量为M、半径为R的气体球，半径为r、厚度为dr的球壳所包含的质量为：dM(r)4pr2rdrdM(r)/dr4pr2rdr/dM(r)1/4pr2r,2019/11/22,xkong,51,2.流体静力学平衡方程半径为r、厚度为dr的球壳内面积为dA的气体元：(引力和压力平衡)重力dFgGM(r)dM/r2GM(r)rdAdr/r2压力dFPPdA(P+dP)dAdPdA0dFg+dFPGM(r)rdAdr/r2dPdAdP/drGM(r)r(r)/r2,2019/11/22,xkong,52,3.能量平衡方程光度方程:反应光度随半径的变化率每秒由恒星表面辐射出去的总能量内部每秒产生的总能量L(r)单位时间通过半径为r的球面的能量,辐射能流e(r)单位物质在单位时间产生的能量,总产能率半径为r、厚度为dr的球壳两侧的能量差:dLL(r+dr)L(r)edM4pr2redrdL/dr4pr2r(r)e(r),2019/11/22,xkong,4.能量输运方程(能流方程)恒星中心和外部温度不同，内部存在温度梯度：能量从恒星内部传送到外部，主要由辐射和对流两种方式恒星通常由气体构成，内部热传导效应不重要，可以忽略dT/dMr=dT/dMr|rad+dT/dMr|con,dP/drGM(r)r(r)/r2,dr/dM(r)1/4pr2r,2019/11/22,xkong,54,5.物态方程PP(T,r,X,Y,Z)表示恒星内部的压强、温度、密度和化学组成关系的方程气体内部的总压强由气体粒子运动产生的气体压强和光子产生的辐射压强PPgPr非简并气体(non-degenerategas)理想气体状态方程P