高中地理 1.4《恒星的演化》素材 湘教版选修1

爱心 用心 专心1 第第一一章章 宇宇宙宙探探索索 1 1 4 4 恒恒星星的的演演化化 相相关关素素材材 恒星演化是一个恒星在其生命期内 发光与发热的期间 的连续变化 生命期则依照星体大小而有所 不同 单一恒星的演化并没有办法完整观察 因为这些过程可能过于缓慢以致于难以察觉 因此天文学 家利用观察许多处于不同生命阶段的恒星 并以计算机模型模拟恒星的演变 恒恒星星的的演演化化过过程程 1 恒星的形成 在宇宙发展到一定时期 宇宙中充满均匀的中性原子气体云 大体积气体云由于自身引力而不稳 定造成塌缩 这样恒星便进入形成阶段 在塌缩开始阶段 气体云内部压力很微小 物质在自引力作 用下加速向中心坠落 当物质的线度收缩了几个数量级后 情况就不同了 一方面 气体的密度有了 剧烈的增加 另一方面 由于失去的引力位能部分的转化成热能 气体温度也有了很大的增加 气体 的压力正比于它的密度与温度的乘积 因而在塌缩过程中 压力增长更快 这样 在气体内部很快形 成一个足以与自引力相抗衡的压力场 这压力场最后制止引力塌缩 从而建立起一个新的力学平衡位 形 称之为星坯 星坯的力学平衡是靠内部压力梯度与自引力相抗衡造成的 而压力梯度的存在却依赖于内部温度 的不均匀性 即星坯中心的温度要高于外围的温度 因此在热学上 这是一个不平衡的系统 热量 将从中心逐渐地向外流出 这一热学上趋向平衡的自然倾向对力学起着削弱的作用 于是星坯必须缓 慢的收缩 以其引力位能的降低来升高温度 从而来恢复力学平衡 同时也是以引力位能的降低 来 提供星坯辐射所需的能量 这就是星坯演化的主要物理机制 下面我们利用经典引力理论大致的讨论这一过程 考虑密度为 温度为 T 半径为 r 的球 状气云系统 气体热运动能量 ET RT T 1 将气体看成单原子理想气体 为摩尔质量 R 为气体普适常数 为了得到气云球的的引力能 Eg 想象经球的质量一点点移到无穷远 将球全部移走场力作的功 就等于 Eg 当球质量为 m 半径为 r 时 从表面移走 dm 过程中场力做功 dW G 1 3m2 3dm 2 所以 Eg 1 3m2 3dm G M5 3 于是 Eg 2 爱心 用心 专心2 气体云的总能量 E ET EG 3 热运动使气体分布均匀 引力使气体集中 现在两者共同作用 当E 0 时热运动为主 气云是 稳定的 小的扰动不会影响气云平衡 当E1 5 107K 时 恒星中燃烧 H 的过程就可过渡到以 CNO 循环为主了 当恒星内混杂有重元素 C 和 N 时 他们能作为触媒使 1H 变为 4He 这就是 CNO 循环 CNO 循 环有两个分支 或总反应率取决于最慢的 14N p 15O 15N 的 p 和 p 反应分支比约为 2500 1 这个比值几乎与温度无关 所以在2500 次 CNO 循环中有一次是 CNO 2 在 p p 链和 CNO 循环过程中 净效果是 H 燃烧生成 He 在释放出的 26 7MeV 能量中 大部分消耗给恒星加热和发光 成为恒星的主要来源 前面我们提到恒星的演化是从主星序开始的 那么什么是主星序呢 等H 稳定地燃烧为 He 时 恒星就成了主序星 人们发现有百分之八十至九十的恒星都是主序星 他们共同特征是核心区都有 氢正在燃烧 他们的光度 半径和表面温度都有所不同 后来证明 主序星的定量上差别主要是质量 不同 其次是他们的年龄和化学成份 太阳这段历程约千万年 观察到的主序星的最小质量大约为0 1M 模型计算表明 当质量小于0 08M 时 星体的 收缩将达不到氢的点火温度 从而形不成主序星 这说明对于主序星它有一个质量下限 观察到的主 序星的最大质量大约是几十个太阳质量 理论上讲 质量太大的恒星辐射很强 内部的能量过程很剧 烈 因此结构也越不稳定 但是理论上没有一个质量的绝对上限 当对某一星团作统计分析时 人们却发现主序星有一个上限 这说明什么 我们知道 主序星的 光度是质量的函数 这函数可分段的用幂式表示 L M 其中 不是一个常数 它的值大概在3 5 到 4 5 之间 M 大反映主序星中可供燃烧的质量多 而 L 大反映燃烧的快 因此主序星的寿命可近似用M 与 L 的商标来标志 T M 1 即主序星寿命随质量增大而按幂律减小 如果整个星团已存在的年龄为T 那就可以由 T 与 M 的关系式求出一个截止质量 MT 质量大于 MT 的主序星已结束核心的 H 燃烧阶段而不是主序星了 这就是观察到由大量同年龄星组成的星团有上限的原因 现在我们就讨论观测到的恒星中大部分是主序星的原因 表1 根据一 25M 的恒燃烧阶段 点 火温度 K 中心温度 g cm 3 持续时间 yr H 4 107 4 7 106 He 2 108 6 102 5 105 C 7 108 6 105 5 102 Ne 1 5 109 4 106 1 O 2 109 1 107 5 10 2 爱心 用心 专心4 Si 3 5 109 1 108 3 10 3 燃烧阶段的总寿命 7 5 106 星演化模型 列出了各种元素的点火温度及燃烧所持续的时间 从表上看出 原子序数大的和有 更高的点火温度 Z 大的核不仅难于点火 点火后燃烧也更剧烈 因此燃烧持续的的时间也就更短 这颗 25M 的 表 1 25M 恒星演化模型 模型星的燃烧阶段的总寿命为7 5 106 年 而其中百分 之九十以上的时间是氢燃烧阶段 即主星序阶段 从统计角度讲 这表明找到一颗处于主星序阶段的 恒星几率要大 这正是观察到的恒星大多数为主序星的基本原因 3 恒星的晚年 主序后的演化由于恒星形成是它的主要成份是氢 而氢的点火温度又比其他元素都低 所以恒星 演化的第一阶段总是氢的燃烧阶段 即主序阶段 在主序阶段 恒星内部维持着稳衡的压力分布和表 面温度分布 所以在整个漫长的阶段 它的光度和表面温度都只有很小的变化 下面我们讨论 当星核区的氢燃烧完毕后 恒星有将怎么进一步演化 恒星在燃烧尽星核区的氢之后 就熄火 这时核心区主要是氢 他是燃烧的产物外围区的物质主 要是未经燃烧的氢 核心熄火后恒星失去了辐射的能源 它便要引力收缩是一个起关键作用的因素 一个核燃烧阶段的结束 表明恒星内各处温度都已低于在该处引起点火所需要的温度 引力收缩将使 恒星内各处的温度升高 这实际上是寻找下一次核点火所需要的温度 引力收缩将使恒星内各处的温 度全面的升高 主序后的引力收缩首先点着的不是核心区的氦 它的点火温度高的太多 而是核心 与外围之间的氢壳 氢壳点火后 核心区处于高温状态 而仍没核能源 他将继续收缩 这时 由于 核心区释放的引力位能和燃烧中的氢所释放的核能 都需要通过外围不燃烧的氢层必须剧烈地膨胀 即让介质辐射变得更透明 而氢层膨胀又使恒星的表面温度降低了 所以这是一个光度增加 半径增 加 而表面变冷的过程 这个过程是恒星从主星序向红巨星过渡 过程进行到一定程度 氢区中心的 温度将达到氢点火的温度 于是又过渡到一个新阶段 氦燃烧阶段 在恒星中心发生氦点火前 引力收缩以使它的密度达到了103g cm 3 的量级 这时气体的压力 对温度的依赖很弱 那么核反应释放的能量将使温度升高 而温度升高反过来又加剧核反应速率 于 是一旦点火 很快就会燃烧的十分剧烈 以至于爆炸 这种方式的点火称为 闪 quot 因此在现 象上会看到恒星光度突然上升到很大 后来又降的很低 另一方面 当引力收缩时它的密度达不到103g cm 3 量级 此时气体的压力正比与温度 点火 温度升高导致压力升高 核燃烧区就会有所膨胀 而膨胀导致温度降低 因此燃烧就能稳定的进行 所以这两种点火情况对演化进程的影响是不同的 恒星在发生 氦闪光 之后又怎么演变呢 闪光使大量能量的释放很可能把恒星外层的氢气都吹 走 剩下的是氦的核心区 氦核心区因膨胀而减小了密度 以后氦就有可能在其中正常的燃烧了 爱心 用心 专心5 氦燃烧的产物是碳 在氦熄火后恒星将有一个碳核心区氦外壳 由于剩下的质量太小引力收缩已不能 达到碳的点火温度 于是他就结束了以氦燃烧的演化 而走向热死亡 由于引力塌缩与质量有关 所以质量不同的恒星在演化上是有差别的 M 0 08M 的恒星 氢不能点火 它将没有氦燃烧阶段而直接走向死亡 0 08 M 0 35M 的恒星 氢能点火 氢熄火后 氢核心区将达不到点火温度 从而结束核燃烧 阶段 0 35 M 2 25M 的恒星 它的主要特征是氦会点火而出现 氦闪光 2 25 M 4M 的恒星 氢熄火后氢能正常地燃烧 但熄火后 碳将达不到点火温度 这里的反 应有 在 He 反应初期 温度达到 108K 量级时 CNO 循环产生的 13C 17O 能和 4He 发生新的 n 反应 形成 16O 和 20Ne 在 He 反应进行了很长时间后 20Ne p 21Na 21Na 中的 21 Na 以及 14N 吸收两个 4He 形成的 22Ne 能发生 n 反应形成 24Mg 和 25Mg 等 这些反应作为能源 并不重要 但发出的中子可进一步发生中子核反应 4 M 8 10M 的恒星 这是一个情况不清楚的范围 或许碳不能点火 或许出现 碳闪光 或许能正常地燃烧 因为这是最后的中心温度已较高 一些较敏感的因素 如 中微子的能量损失把 情况弄得模糊了 He 反应结束后 当中心温度达到109K 时 开始发生 C O Ne 燃烧反应 这主要是 C C 反应 O O 反应 以及 20Ne 的 反应 8 10M M 的恒星 氢 氦 碳 氧 氖 硅都能逐级正常燃烧 最后在中心形成一个不能在 释放能量的核心区 核心区外面是各种能燃烧而未烧尽的氢元素壳层 核燃烧阶段结束时 整个恒星 呈现由内至外分层 Fe Si Mg Ne O C He H 结构 4 恒星的终局 现在我们已经知道 对质量小于8 10M 的恒星 它会因不能到达下一级和点火温度而结束它 的核燃烧阶段 对于质量更大的恒星 它将在核心区耗尽燃料之后结束它的核燃烧阶段 在这以后 恒星的最终归宿是什么 一旦停止了核燃烧 恒星必定要发生引力收缩 这是因为恒星内部维持力学平衡的压力是与它的 温度相联系的 因此 如果恒星在一 quot 最终 的平衡位形 它必须是一个 冷的 平衡位形 即 它的压力与它的温度无关 主序星核心 H 耗尽后 离开主序是阶段开始了它最后的历程 结局主要取决于质量 对于质量 很小的星体由于质量小 物体内部的自引力并不重要 固体内部的平衡是正负离子间的净库仑引力于 电子间的压力来达到平衡的 爱心 用心 专心6 当星体质量在大些 直到自引力不可忽略时 这时自引力加大了内部的密度和压力 压力的加大 是物质发生压力电离 从而逐渐是固体的电约束瓦解 而过渡为等离子气体 加大质量 即加大密度 此时压力于温度无关 从而达到一种 冷的 平衡位形 等离子体内电子的动能一大足以在物质内 部引起 衰变 这里 p 是原子核中的质子 这样的反应大致在密度达到108 g cm 3 的时候 它将逐渐地是负 离子体中的原子核变为富中子核 原子核中出现过多的中子 导致核结构松散 当密度超过4 1 011g cm 3 是中子开始从原子核中分力出来 成为自由中子 自引力于中子间压力达到平衡 如果当 质量变大使中子气体间压力已不能抵御物质自引力 而形成黑洞 但由于大多数恒星演化后阶段使得 质量小于它的初始质量 例如恒星风 氦闪光 超新星爆发等 它们会是恒星丢失一个很大的百 分比质量 因此 恒星的终局并不是可以凭它的初始质量来判断的 它实际上取决于演化的进程