把南京大学建设成为我国核天体物理学研究中心和人才培养基地的ppt课件

1、恒星演化与核合成(彭秋和)1.有关恒星物理的根本预备知识2.恒星构造的多层球实际3. 恒星的热核演化 4. 两类超新星及其迸发机制一、超新星(SN)分类 观测上的区别二、SNII 迸发图象及其迸发实际上的困难三、SNIa迸发图象及其迸发实际上的疑问问题.1.有关恒星物理的根本预备知识亮度与星等恒星外表的有效温度色温度与恒星的颜色恒星的光谱型赫罗图.亮度与星等视星等(m): 把肉眼看到的恒星视亮度分为6个星等, m = 0,1,2愈亮的星, 星等值愈小。 视星等相差5等, 亮度相差100倍。绝对星等(M): 想象把一切恒星都放在离地球10pc间隔上处，它们的 视星等数值 (1pc(秒差距) =3

2、.26 光年 3.011018 cm)L 光度; I 照度(视亮度); d 间隔(A(b,l,d)星际消光的矫正).恒星外表的有效温度恒星光球辐射近似可看为绝对黑体辐射。由斯提芬-波尔兹曼定律(R: 恒星半径) 由此定义恒星外表有效温度Teff。其中斯提芬-波尔兹曼常数为= 5.6710-5ergcm-2K-4sec-1 通常，天文学家经过恒星光谱的观测与分析，可以很好地确定恒星外表的色温度。.Wein位移定律Rigel参宿七Betelgeuse猎户星座中的一等星色温度 (The Color Temperature)恒星的颜色反映了恒星的外表温度的高低。 温度越高低，颜色越蓝红。. 恒星的颜色

3、: Teff Blue-violet 30,000 blue 20,000 white 10,000 yellow white 7000 yellow 6000 orange 4000 red 3000 色指数色温度.较准确的阅历公式为： 主序星 巨 星 假设是严厉的黑体辐射。那么色温度=有效温度，但往往二者有差别，普通定义的色温度都略高于有效温度，特别当恒星外表温度非常高时。Other temperature - color relation:T = 8065 - 3580 (B-V) (1.0 - 0.196 Fe/H); (0.3B-V 25,000蓝紫强电离He线，重元素多次电离线，无

4、氢线。B11,000 25,000蓝白中性He线，重元素一次电离线，很弱的H线A7,50011,000白强H线，重元素一次电离线（如 Ca+ ）F6,000 7,000黄白重元素一次电离线，弱H线和中性金属线G5,000 6,000黄强重元素一次电离线，中性金属线K3,500 5,000红橙强中性金属线，重元素一次电离线M 4/3 系统稳定 4/3 系统不稳定 = 4/3 临界形状 (牛顿引力论) = 4/3 不稳定 (广义相对引力论)部分电离(H, He)气体，当电离度在 (5 95)%之间情形下, 可以变得远小于4/3, 气体系统比热可以比完全中性(或完全电离)气体系统的比热高15-20倍

5、。.多层球的根本方程由合并为结合形状方程再作变数变换(同时将方程无量纲化):Lane-Emden 方程(边境条件)当形状方程确定后，己知多方目的n, 就决议了Emden函数.Lane-Emden函数有关常数值 n 注 0 2.4494 4.89881.0000均匀分布模型0.52.75283.78711.83611.03.141593.141593.289871.53.653752.714065.99071 =5/33.06.896852.0182454.1825 =4/3（牛顿临界稳定）4.014.971551.79723622.4085.01.73205物质无限地向中心聚集半径向外无限延伸

6、.多层球的物理性质Emden 函数的第1个零点对应于恒星外边境(半径)位置恒星半径恒星质量极端相对论性电子简并系统(大质量白矮星): n = 3极大质量(Chandrasekhar 极限质量).辐射压的重要性单原子理想气体和辐射场混合系统星体的质量愈大，辐射压所占的比例(1-)愈大，气体压强比例()愈小，比例常数K值愈大。由理想气体和辐射组成的混合气体并不能完全看为 = 4/3 的多层球。Eddington的规范模型: n=3，在恒星内部 =Pg/P =const. 低质量恒星 , 1-非常小 对于质量非常大的恒星，辐射压强远远超越气体压强 , 0.物质平均密度与中心压强物质平均密度 (与K无

7、关)(对上半主序星质量较大)对小质量下半主序星, 类似规律中心压强:通常的主序星, 质量愈大的恒星,中心密度愈低。.恒星的中心温度对于理想的完全电离非退化气体和辐射场的混合体系, 中心温度对上半主序星质量较大 假设取对化学成分：X=0.5, Y0.5, 0.7对下半主序(小质量)恒星, 类似规律。.恒星的中心温度那么是由恒星整体的宏观性质决议的。普通来说，质量愈大的恒星，其中心温度愈高。例如，对处于稳定氢熄灭阶段的主序星，其中心温度和密度同恒星质量的关系分别为: 太阳: Tc 1.5107 K质量很大的主序星(例Wolf-Rayet 星M (30-50) M的氢熄灭阶段):Tc (7-9) 1

8、07 K .点燃核熄灭的条件热核熄灭点火条件: Tc:星体中心温度 ; Tnuc:核熄灭的点火温度热核熄灭的点火温度是由核物理的微观性质来决议的，它可以从入射核的热运动能(思索隧道效应)大约等于库仑位垒高度的 (1-2)10-4来估算: .点燃核熄灭的恒星质量下限推论:只需当恒星质量大於某一确定值时它才能够点燃相应的热核熄灭。随着参与反响的原子核的核电荷增长,其间库仑位垒迅速添加, 上式中的Mnuc也随之添加。 因此，质量不太大的恒星内部只能点燃某些轻核的热核反响而不能点燃较重原子核的核熄灭。也就是说，它们的核熄灭是不完全的。 .电子简并压强在星体热核演化的重要作用 在原始恒星中,小质量恒星的

9、中心密度较高。随着构成恒星的星云引力收缩, 原始恒星中心温度不断上升的同时，其中心密度也随着进一步添加。所以， 对于质量太小的恒星(例如，当恒星质量低于0.07 M时)，当它们的中心温度尚未上升到氢熄灭的点火温度 (1.0107K )时, 其物质密度也因星体收缩而远远超越了电子简并条件的密度值以后星体内电子简并压强已足以抗拒星体自引力的紧缩，恒星不再收缩，其中温度也不会再升高。因此其中心温度一直低于氢熄灭的点火温度。这些恒星内部也不能点燃前述能源序列中的任何核熄灭。这些恒星的光度远远低于以核熄灭为其能源的主序星的光度，这类光度很低的恒星称为褐矮星(Brown Star) .耀星和氦闪在原始小质

10、量恒星收缩过程中，假设其中心温度 Tc到达H熄灭大规模进展的点火温度附近时，正好物质密度也接近或到达上述简并密度，那么由于简并物质中的热核熄灭是不稳定的，它将导致部分爆炸性的H熄灭。不过，它并不会导致整个星体爆炸。近年来在天文观测上发现某些低光度恒星亮度出现短暂的闪亮，人们以为它正是这种正在构成的小质量恒星在弱(电子)简并形状下氢熄灭开场点火时出现的氢闪景象,称为耀星。 对于中、小质量恒星( 0.5 (M/M)2.2)从H熄灭较平稳地转变为He熄灭阶段。. 恒星内部的平稳核熄灭核燃烧核燃料 主要 产物 Tnuc (0K) g/cm3 产能率释能率(erg/g)燃烧时标 (年)H燃烧 1H 4H

11、e (14N)(CNO)(1-2)E7(PP)2.0 E7(CNO)102T4 (PP链)(T7=1.4）T16.7 (CNO)(T7=2.0)6.4 E 181E12(0.2 M)1.2 E10 (1M)1 E7(15 M)1 E5 (50 M)He燃烧 4He12C (中小质量恒星)16O (22Ne)1-3 E8103-104 T40(T8=1.0)12C+16O)2 E5(T8=1.3)4 E3(T8=1.5)(=1.0E4)C燃烧 12C20-22Ne(23Na)24-26Mg(27Al)28Si8.8 E8(1-2)E5T27(T9=1.0)4.0 E1712 年(无对流)Ne燃烧

12、 20Ne16O,24Mg(Mg-P ）1.5 E91 E6T49(T9=1.5)1E17 40 天(无对流)几年(对流)O燃烧 16O24Mg-32S(直到铁族元素)2.1 E9(3-5) E6T33(T9=2.0)5.0 E176 天(对流)Si燃烧24Mg-32S铁族元素3.5 E91 E7T47(T9=3.5)9 E17几小时(无对流)1 天(对流).3. 恒星的热核演化太阳太阳内部主要热核反响 PP反响链(H-熄灭)太阳中微子问题CNO循环(中、大质量主序星内部H-熄灭).太阳R地球 6370 公里 1 g/cm3 .太阳情况Tc(1.4-1.5)107 Kc(50-100) g/c

13、m3H: X0.68He: Y0.30 Z0.02(C、N、O以上重元素).太阳能源从很远处看, 太阳是一个黄色的矮星太阳中心区域内继续不断的热核熄灭。 4 1H 4He由Einstein 的质量-能量关系式 E = Mc2M c2 = 4 M(1H) M(4He)c2 = 26.73 MeV同时释放26.73 MeV的能量。.(续)太阳内部每秒钟都有7,750万吨的氢在这种热核爆炸过程中转化为氦, 正是由于这种热核熄灭维持着太阳宏大的光度。太阳内部这样规模的热核熄灭曾经继续了45亿年。估计它还可以这样稳定地再熄灭50亿年左右。在恒星世界中太阳是一个普通的恒星。.恒星内部热核熄灭与演化一颗恒星

14、的演化史本质上就是它内部中心区域的热核(熄灭)演化史。大质量恒星演化进程将先后经历一系列热核熄灭阶段:H熄灭 (稳定核熄灭, 主序星): 核合成主要结果: 4 1H 4He 1. PP反响链- Tc 1.6107 K 小质量恒星 1.1 M 对太阳(), 稳定熄灭 100亿年 .太阳内部主要热核反响强大的中微子源pp链:氢(质子)合成氦(粒子) 小质量(M 2 107 K)中，大质量(M 1.1 M)恒星的氢熄灭 20Na 0.446s Ne-Na循环 (p, ) 18Ne 19Ne 20Ne (p,) 1.675s 17.3s + 17F 18F 19F 64.5s 109.8m 14O 1

15、5O 16O 17O 18O 70.6s 122s 13N 14N 15N AZ 稳定核素 9.96m AY 放射性核素 1/2 12C 13C.Ne-Na 循环与Mg-Al 反响链.主序后恒星晚期的热核演化.4He + 4He 8Be + 8Be + 4He 12C + 8Be是非常不稳定的同位素，分裂成两个4He的时标仅为10-12 s。但它在分裂前有一定概率再吸收一个粒子 而转变为12C 3 反响氦熄灭 (主序后的红巨星阶段) T108 K.105 g/cm3,10-6 g/cm3红巨星的构造当中心温度逐渐升到108 K，三alpha反响可以进展，那么进入另一个演化阶段。.中、小质量恒星

16、的演化图象H-熄灭 红巨星He-熄灭主序星C-O中心 He-熄灭 壳层 H-熄灭 壳层白矮星1324Spirograph nebulaRing NebulaCats Eye NebulaAGB星.氦熄灭以后恒星内部的核熄灭 碳熄灭: 12C + 12C 氖熄灭: 光致碎裂反响导致元素重新组合氧熄灭: 16O + 16O 硅熄灭(硅熔化):光致碎裂反响导致元素重新组合 铁族元素的核合成 它们根本上都是由放热核反响组成，作为恒星强大辐射的能源。.M / M最后归宿质量非常小恒 星 30经历H, He, C, Ne, O, Si 等各燃烧阶段超新星爆发黑洞?不同质量恒星的演化和归宿.恒星在赫罗图上的

17、演化 恒星的终身就是一部和引力斗争的历史！恒星在终身的演化中总是试图处于稳定形状流体静力学平衡和热平衡。当恒星无法产生足够多的能量时，它们就无法维持热平衡和流体静力学平衡，于是开场演化。.恒星演化通常要阅历： 中心氢熄灭的主序星阶段(Main Sequence ) 中心氢熄灭枯竭后的红巨星阶段(Red Giant Branch ) 中心氦熄灭枯竭后的渐进巨星支阶段(Asymptotic Giant Branch) 热脉冲构成行星状星云和白矮星；或者进入碳主序 大质量恒星构成洋葱构造 阅历氦闪或不阅历氦闪进入中心氦熄灭的程度支阶段(He core flash and Horizontal Bra

18、nch ).质量越大的恒星寿命越短，越早脱离主序。.赫罗图脱离主序的位置对应星团的年龄。.4.两类超新星及其迸发机制. 历史上的超新星爆发时间 (AD) 光度极大星等发现者遗迹185 ? -8中国天文学家RCW 86393-1中国天文学家837 ?-8 ?中国天文学家IC 4431006-10中/阿天文学家SN 10061054-5中/日天文学家Crab Nebula1181-1中/日天文学家3C 581572-4Tycho BraheTycho1604-3KeplerKepler16805 ?John lamsteedCas A1987+2.9Ian SheltonSN 1987A.蟹状星云

19、和蟹状星云脉冲星PSR0531 SN1054 的遗址.超新星分类1. 中心坍缩型超新星(SNII、SNIb,、SNIc)2. 吸积白矮星的热核爆炸型超新星(SNIa).引起恒星不稳定坍塌的主要物理要素不同质量的恒星阅历它所能够的热核演化之后，通常都要出现较为猛烈的演化。对于质量较低(例如M)的恒星，要阅历以前述猛烈热脉冲为特征的AGB星阶段，其中心逐渐收缩为白矮星，而星幔和包层那么被向外抛射并膨胀成为行星状星云。大质量恒星(M )那么要阅历更为猛烈的演化过程,例如像型超新星那样的极其猛烈的迸发。引起恒星不稳定坍缩的主要物理要素有: 1) 电子俘获(EC)过程 当星体非常致密，以致于处于高度简并

20、的电子气体的Fermi能超越了物质主要成分原子核的电子俘获能阈值 Fermi 面附近的大量电子将被该类原子核俘获 :.电子俘获过程由于这种电子俘获过程的大量进展, 当物质密度(重子数密度)添加时,自在电子数密度却因Fermi能数值维持在 Q(EC) 值不变(自在电子不断地打进原子核内同其中一个质子结合成中子),因此以自在电子简并压为主物质压强也几乎坚持不变。这时物质形状方程(根据Viril定理)星体在热力学上是绝对不稳定的，它将要坍缩。电子俘获的密度阈值为 此式可由完全简并形状下电子数密度ne同Fermi动量 pF 间关系式以及Fermi能同pF 间关系式推求.几种主要物质的电子俘获不稳定的密

21、度阈值 EC 过程 Q 20.596 13.370 10.419 7.026 4.643 3.695 (电子俘获能阈值是扣除了电子的静止能量后的数值) .电子俘获过程是导致超新星中心坍缩的主要物理要素大质量恒星阅历了完全硅熄灭之后，其中心根本上由铁族元素(以为主)组成，其中心密度可达 (3-5)109 g/cm3 以上，超越了铁原子核上电子俘获不稳定的密度阈值, Fermi 面附近的大量电子将被铁族元素的原子核俘获。这时(铁)中心是不稳定的，它将迅速向中心坍塌(整个中心坍缩时标短于1秒)。电子俘获过程是导致II型(以及Ib型)超新星中心坍缩的主要物理要素。 .2)广义相对论效应 一个不再进展核

22、熄灭，仅依托简并电子压强(抗拒星体自引力紧缩)支撑星体平衡的恒星质量一旦超越Chandrasekhar 极限质量时，广义相对论效应将使它本身的引力大大超越牛顿引力。由于这种自引力太强大，电子的简并压强再也不能抗拒它的紧缩。整个恒星就会不稳定而发生引力坍缩 Ye是电子丰度，定义为平均每个核子摊分到的自在电子数目 (它是电子平均分子量的倒数)对中，小质量的恒星(忽略辐射压),上述条件等价于当星体的中心密度高于下述临界密度:.重要结论将它同各种核素电子俘获的密度阈(表)相比较可知，对于以 4He, 12C 为主的星体，它们不稳定坍缩的首要缘由是广义相对论效应而不是电子俘获过程。但以氧，氖，硅，铁等为

23、主的星体，导致它们不稳定坍缩的首要缘由是电子俘获过程。当然，在星体不稳定坍缩过程中，这两种要素是相互促进与结协作用的。Ia型超新星(SNIa)迸发前整个星体的不稳定性坍缩就是由于这种广义相对论效应引起的。.3)高能 光子的光致裂变反响要素 当星体中心温度超越 (粒子热运动平均能量超越 0.5 MeV)时，Planck分布高能尾巴附近的高能光子，其能量能够超越铁族元素的核子结合能(对 来说，平均每个核子的结合能为8.8 MeV)。由于光致裂变反响将耗损大量的热能，星体内部热压强将会大大下降。如果这个星体中心形状并非处于电子简并 ,那么这种高能 光子的光致裂变反响将导致星体中心的坍塌。(例如，条件

24、为) 对质量非常宏大( M (40-50)M )的恒星,在星体中心尚未到达简并形状时，其中心温度己高达5109K 以上。高能光子的光致裂变反响将是导致星体坍缩的重要要素。不过，这时还将出现另一更重要的不稳定要素(电子对湮灭)。.4) 正负电子对湮灭产生中微子对过程 对 M (60-100)M 的超巨质量恒星,当其中心区尚在进展氧熄灭(或在更早核熄灭阶段)时，温度已上升到5109K以上，但中心密度却尚未到达1107 g/cm3, 物质处于非简并形状。这时，热光子的平均能量超越了电子的静止能量(0.511 MeV)，两个 光子碰撞转化为正负电子对及其逆过程大量进展，即 在这个互逆反响到达动态平衡的

25、根底上，正负电子对湮灭产生中微子对的反响 却在不断地进展。虽然这个反响截面远远低于前一反响截面 反响不仅大量进展，而且产生出来的中微子对携带着能量立刻从恒星内部几乎毫无阻拦地射向太空。在高温下，这种中微子能量损失率非常大，它将使星体中心迅速冷却，压强急剧地下降。星体本身的引力(广义相对论效应使其引力比牛顿值更加强大)远远超越气体的压强，因此导致星体引力坍缩。这是引起超巨质量恒星不稳定坍缩的主要要素 。 .超巨质量恒星不稳定坍缩的主要要素在前一互逆反响到达了动态平衡形状下，在温度非常高的条件下，后一个反响反响不仅大量进展，而且产生出来的中微子对携带着能量立刻从恒星内部几乎毫无阻拦地射向太空。在高

26、温下，这种中微子能量损失率非常大，它将使星体中心迅速冷却，压强急剧地下降。星体本身的引力(广义相对论效应使其引力比牛顿值更加强大)远远超越气体的压强，因此引起星体引力坍缩。这是导致超巨质量恒星不稳定坍缩的主要要素 。.爆炸性核熄灭条件 1)热核熄灭的速率非常快，以致于热核熄灭的时标(nuc)短于星体因自引力作用(忽略压强)的自在坍缩时标(ff) 2)在时标 nuc 内热核熄灭所释放的总能量必需超越星体本身的自引力束缚能 核熄灭单位质量物质在1秒钟内释放的核能 .II型超新星迸发图象及其实际上的困难.大质量恒星热核演化终了硅熄灭阶段终了 M(12-25)MH-包层H-熄灭壳层He-熄灭壳层C-熄

27、灭壳层Ne-熄灭壳层O-熄灭壳层Si-熄灭壳层Fe 中心T (3-5)109K 3109g/cm3Mc 1.13M.II型超新星中心的坍缩内中心:同模坍缩Vr r(亚声速区)外中心:自在坍缩Vr Vff/2M内中心 0.6 M内外中心交界面附近:Vr (1/8 1/4) c (光速).最近关于中心坍缩型超新星迸发的争论Buras et al., 2003, Phys. Rev. Lett., 90 No. 24, 241101 “Improved Models of Stellar Core Collapse and Still No Explosions: What is Missing?M

28、.Liebendrfer, 2004, arXiv:astro-ph/0405029 “Fifty-Nine Reasons for a supernova to not ExplodeWoosley: “假设利用更好的中微子物理、更加全面池思索各种不对称要素(例如，旋转、对流、磁场要素)和不稳定要素,我置信再过几年，超新星迸发的模拟计算能够会获得胜利的 (on the conference AwR V, Sep. 2005, at Clemson University, USA).现有流行观念: 虽然电子俘获过程是引起爆前超新星中心引力收缩的首要物理缘由，但是，SN中心快速坍缩的开场时辰是由

29、广义相对论效应决议, 判据为 Mch Mcore(Fe) ( Mch Ye2 , 随着电子俘获过程的大量进展，Ye , 因此Mch )。 关键在于:一旦上述条件到达，整个铁中心都进入快速坍缩阶段，其结果是: Mcore(Fe) 太大，使得瞬时迸发机制失效。.我的观念超新星内中心快速坍缩的新判据计算阐明: 当密度很高时，电子俘获速率随着密度增长迅速添加。星核愈往内，电子俘获速率愈高,物质内电子丰度急剧地下降, 电子简并压强急剧地下降, 相应的壳层的坍缩加速度愈大。更加接近于(零压)自在坍缩。由此启示, 我提出大质量恒星中心大规模快速坍缩的临界点的判据应修正为:星体中心内原子核56Ni上电子俘获过

30、程非常迅速，其特征时标短于流体动力学时标:(Nucler Physics A738(2004)515-518).Ia型超新星迸发图象及其宇宙学意义.Ia型超新星迸发图象及其宇宙学意义.Ia 型超新星 (SNIa )迸发缘由当吸积白矮星质量超越极限质量(Chandrasekhar 质量):广义相对论效应(引力明显超越牛顿引力)引起吸积白矮星坍缩。在白矮星坍缩过程中，密度、温度急剧上升。当温度上升到2108K以上时，点燃爆炸性的C熄灭，导致热核爆炸型超新星。即导致SNIa 迸发的主要要素是广义相对论效应。整个星体热核爆炸, 全部炸光。中心不遗留致密残骸。爆炸抛射物( 104 公里/秒)向外扩张逐渐

31、构成星云状的超新星遗址。.宇宙中的规范烛光 SNIa SNIa 各个SNIa 光极大时的光度几乎一样，可以当作规范烛光。 视亮度=光度(真亮度)/D2由天文观测可以测定SNIa 光极大时的视亮度(视星等), SNIa 的间隔 D2 = SNIa 光极大时的光度/ SNIa 光极大时的视亮度即由SNIa 的测光观测可以测定极遥远星系(其中迸发SNIa)的间隔.SN Ia 探测的宇宙学意义SN Ia 光变曲线的重要特征:几乎一切的SN Ia 光变曲线外形以及光谱都非常类似观测发现一切的SN Ia在光极大时的绝对星等都相近:规范烛光 M绝对星等 - 20m ; M绝对星等 = -2.5 log10 L 即, 一切的SN Ia在光极大时的光度(L)都几乎相等。缘由:一切的SN Ia 都是当吸积白矮星的质量增长Chandrasekhar临界质