小质量恒星的演化

1、天文学导论,第9讲 小质量恒星演化,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 the words: “And this, too, shall pass away.” Abraham Lincoln (1809-1865) September 30, 1859,

2、本讲内容,小质量恒星（太阳）的主序后演化 红（超）巨星 行星状星云 （地球的命运） 白矮星 小质量双星的演化 激变变星 新星 Ia（热核）超新星,主序后恒星的演化,星际云坍缩为巨大的原恒星，由气体和尘埃组成的盘所环绕 遗留在盘内的气体和尘埃聚积成行星及其卫星、小行星和彗星等 原恒星继续坍缩直到核心的H点燃而成为主序恒星 主序恒星：恒星核心的H在燃烧 恒星最终会耗尽其核心的H燃料：结构开始剧变，开始快速演化 最终坍缩成为没有核燃料的致密天体,每颗恒星都是唯一的,初始质量和化学丰度决定一个恒星的命运 主序寿命，（赫罗图）演化路径，结束方式 一个（孤立）恒星形成之时就确定了它的演化程 小质量恒星和大

3、质量恒星的演化十分不同 大致区分为两类： 小质量恒星 3 Msun,当主序恒星核心区的氢完全耗尽，恒星开始脱离主序，演化加快，出现一系列壮观景象,小质量恒星的演化,大质量恒星的演化,1。小质量恒星的主序后演化,以类太阳恒星演化作为小质量恒星演化的代表，以此来了解太阳轰轰烈烈的一生 相似的初始质量（M 1M） 相似的初始化学成分（太阳元素丰度）,1.1 亚巨星支 Sub-giant Branch(SB),核心H枯竭(变为He核)，壳层H燃烧 主序生活结束，开始快速演化 He核收缩 壳层引力增加 壳层压力增加 壳层H燃烧率加快（He核质量增加） 恒星更亮，但体积膨胀 表面温度降低 恒星更红！,亚巨

4、星结构： 非燃烧He核 + 壳层H燃烧 + 非燃烧H包层,在H-R图上, 恒星渐渐向右脱离主序(12), 称为亚巨星支 体积膨胀 表面温度降低，但光度增加 亚巨星的温度下降大约1,000K,1.2 红巨星支 Red Giant Branch (RGB),非燃烧He核继续坍缩，He核半径减小，He核温度上升 壳层H燃烧率更快（He核质量增加） 光度增加 恒星包层膨胀 表面温度降低 RGB He核体积持续缩小电子开始简并(压),红巨星结构： 非燃烧简并He核+ 燃烧H壳层 + 非燃烧H包层,简并：泡利Pauli不相容原理,量子力学：质量大粒子占据空间小！ 电子先简并,客满,客满,自旋朝上,自旋朝下

5、,能级1,能级2,由于H的调节 RGB表面温度变化不大 在H-R图上，恒星向右上方几乎垂直攀升成为红巨星（23) ：颜色红体积大（亮） 反向林忠四郎线 ：原恒星主序星：H调节,恒星沿RGB是加速向上攀升的,H壳层燃烧 He核质量增加 电子简并度增加 导致He核继续收缩（温度升） 引力更强 H燃烧壳层压力更大 更快H壳层燃烧 He核质量增加更快 (相互促进） 恒星光度加速上升 恒星沿RGB是加速攀升的！ 太阳从主序到RGB最顶端大约要2亿年 SB 阶段： L 10Lsun RGB 阶段：10Lsun 1,000Lsun 半径增大为100倍太阳半径,太阳成为红巨星,1.3 氦闪 (Helium f

6、lash),He核质量继续增加且继续收缩 引力更大 H壳层燃烧更快，且加热He核（由引力能） 当He核的温度上升到约108 K时，He开始燃烧 (3 alpha 过程：3He C) 恒星攀升到RGB的顶点（3）,由于简并，He核温度上升但不膨胀,简并He核是很好的热导体，一旦He核的中心燃烧 几分钟内加热整个He核，瞬间整个He核温度相同 整个He核燃烧 He核电子简并 He核燃烧， He核虽温度上升但压力不增加（简并压主导） 简并He核不膨胀（简并气体不满足理想气体状态方程！） 简并He核的温度上升 He燃烧率加快 温度上升加快 He燃烧率加快 . 温度上升和He燃烧率加快相互促进,氦闪后，

7、电子简并解除,因此，简并He核的突然燃烧是处于失控状态，故称为氦闪 T =1亿 K 1.1亿K: 反应率增加40倍 T =2亿 K 反应率增加4.6亿倍 数秒钟之内，温度上升 热压 大于 简并压 He核膨胀冷却 电子简并解除 He燃烧是以He闪的方式开始，但氦闪仅持续数小时 氦闪是理论推算，至今仍未观测到,He闪所产生的巨大能量用来抗衡引力和膨胀 He核 氦闪后, 非简并He核变得很大 引力减弱 He燃烧核心和H燃烧壳层的压力减小 核反应率明显降低 恒星光度明显下降，仅有He闪时的1/100（包层收缩） 恒星进入一个新的稳定态：He在正常的非简并的核内燃烧成为C，H在壳层内燃烧成为He,1.4

8、 水平支 Horizontal Branch (HB),He闪后，光度降低 恒星（H包层）收缩 表面温度上升 恒星向左下方移至水平支（34） t=100,000 years,恒星的化学成分决定其在水平支上的位置： 化学成分和太阳类似的小质量恒星将只聚集在RGB的左侧 Fe丰度比太阳小的恒星趋于分布在远离RGB的准水平线上 称为水平支（HB）星,HB星结构,稳定He 核燃烧 + （+ 非燃烧He壳层） + H壳层燃烧 非燃烧H包层,HB星和主序星的比较,HB恒星非常类似于主序恒星（结构、行为） MS 星：稳定的、非简并的核心H燃烧 HB 星：稳定的、非简并的核心He燃烧 (和壳层氢燃烧) HB星

9、保持稳定仅5千万年 (HeC, HHe)： 核心区的燃料变少 He 燃烧的能量转换效率比H低许多 HB星更亮 必须更快消耗燃料 恒星离开 HB 类似于离开 MS （作H He, He C替换）,1.5 渐进巨星支 Asymptotic Giant Branch (AGB),在HB阶段，C不燃烧（T不够高） C 堆积在核心 当核心He枯竭 引力 压力 C核坍缩至电子简并 C核半径减小，引力上升 壳层压力上升 加快壳层He和壳层H的燃烧 简并 C 核质量 (非半径，仍坍缩) 增长加快 引力上升加快 壳层压力上升加快 因此恒星光度上升加快 恒星半径增大加快 （H-） 表面温度大致不变 ,类似于RGB

10、, 恒星再次向右上方加速攀升为红超巨星 (45) 在H-R图上的路径非常类似于RGB (23)，故称为 AGB，这个阶段的星称为AGB星（红超巨星）,AGB星结构,简并非燃烧C核 + He 壳层燃烧 + （非燃烧He壳层 +） H壳层燃烧 + 非燃烧H包层 C核：质量增加，继续收缩，温度升高,*MS, RGB, HB and AGB星的结构比较*,当到AGB顶端（5）时，光度的显著增加 + 恒星的显著膨胀 开始抛射冷的外层（引力微弱），最终留下一颗“裸露”的高温C核心,太阳的C 核不会燃烧！,简并C 核质量 (和温度T) 增加 加快壳层He 和 H燃烧 互相促进 （C 核收缩） AGB 星类似

11、于RGB星 C (闪) ? 决不会（对太阳）！ 更大质量恒星可以 1 Msun AGB星 数百倍Rsun 膨胀并吞食内行星轨道，可能包括地球 虽然50亿年后发生， 但远在此之前（10亿年后），地球将会由于太阳光度的增加而被烤焦！,地球的命运？,数十亿年后，主序后半段，太阳膨胀1.4倍，地球温度上升，地球上的海洋蒸发。太阳在变大，地球失去大气，许多陨石坑。灼热的炼狱之地 作为红巨星的太阳，颜色偏红，火红的太阳将占据地球的大半天空 地球未来的两种可能，还没有定论 被膨胀的太阳“吞没”（可能性较大，据最新理论） 不被太阳“吞没”，继续围绕那个“太阳”公转,地球被膨胀的太阳“吞没”,大约77亿年后，太

12、阳将膨胀（200倍）到差不多地球现在轨道的位置 水星和金星早已被太阳吞没 红巨星的大气稀薄，地球短时间内仍能在其大气中作公转运动。由于摩擦，地球失去速度，从而沿一条螺旋轨道向太阳中心“掉落”，最终撞进太阳高温部分，蒸发消失,地球不被太阳“吞没”,太阳风释放质量，因而引力减弱，结果地球公转轨道比现在向外移动不少，有可能不被膨胀的太阳“吞没” 水星和金星自然是没有了 太阳（碳核）坍缩变小（白矮星），地球仍是一颗行星，将一如既往地公转不停 地球外侧行星轨道同样外移一些，继续公转,1.6 恒星质量损失 Stellar mass loss,1个太阳质量主序星演化到HB星阶段要损失10%-20%的质量。演

13、化到AGB星时再损失其质量的20%。 因此结束AGB星阶段时， 1 Msun主序星的质量小于0.7 Msun 在AGB结束时，恒星质量损失失控 质量损失更弱的引力更快的质量损失“更”更弱的引力质量损失越来越厉害，抛射速度20 -30 km/s,留下炽热的简并C核,壳层He（和H） 快速燃烧（完）为 C “裸露”C核质量增加 + 收缩 C核变得越来越热 恒星在H-R图的顶部快速从右向左移动 （56，约5万年） “恒星”表面温度最终可达 105 K 主要辐射高能紫外光 (峰值波长 29 nm) 强烈的紫外辐射加热和电离膨胀的致密气体包层而发光，即行星状星云,1.7 行星状星云 Planetary

14、Nebulae,行星状星云通常是低质量恒星在死亡时所抛出的气体包层，受到中心高温“白矮星”的辐射，电离而发光 行星状星云常为环形，环绕着恒星演化后所遗留下来的白矮星。气体壳层不断膨胀，年龄不超过 5 X 104 年,螺旋星云 Helix Nebula,The Ring Nebula 环状星云,Top: a famous planetary nebula called the Ring Nebula (M57), as it appears through a small amateur telescope, shows why astronomer thought these objects

15、looked like planets Bottom: however, an HST image of the ring shows the remarkable and complex structure of this expanding shell of gas,？,HST 杰作：动物园, ,Planetary nebulae are not all simple spherical shells around their parent stars These HST images show a wealth of structure resulting from complex pr

16、ocesses by which low-mass stars eject their outer layers. Thus, they earns names like Owl Nebula, Clown Nebula, Cats Eye Nebula, and Dumbbell, ,猫眼星云,The Cats Eye Planetary Nebula as seen by HST (right) and Chandra (left),蝴蝶星云 Butterfly Nebula,沙漏星云,哑铃星云 Dumbbell Nebula,爱斯基摩星云 The Eskimo Nebula,1.8 成为

17、白矮星,后AGB星燃烧完所有壳层（表面）燃料 仅剩下质量约为 0.6Msun 不能燃烧的简并的 C 球 光度骤降，温度变化不大（收缩和引力能） 在 H-R 图的最左侧垂直下落(67)，恒星越来越弱小 几千年内，非燃烧的核心收缩成地球大小，此时（整个星体）完全电子简并，抗衡引力，不再收缩 简并的恒星灰烬称为（碳）白矮星，很热但很小,1.9 白矮星冷却为黑矮星,白矮星热辐射 白矮星持续冷却 电子简并 其大小几乎不变 在H-R图上, 沿等半径线向右下方移动 （7 8） 白矮星可保持很热约1千万年，最终光度可降为原主序星的1/1000 黑矮星,值得记住这个超密球（一茶匙一吨的密度），其生命实际上于10

18、0多亿年前开始于一个比地球上最好的真空还要稀薄100亿倍的星际分子云核！ 一个纪元的终结. 另一个新纪元的开端,2。白矮星 White Dwarfs (WD),白矮星是密度高、体积小、光度低、表面温度高的白色星 绝对星等 Mv 8m-16m 光度很低 有效温度 Teff 5103- 4104 K：光谱O到K型 暗弱 仅很近的白矮星才易观测到 已知白矮星约1500颗，估计银河系恒星级天体总数的10%或更多是白矮星 单星或双星成员,白矮星的形成机制（简写版）,A white dwarf is the product of a low mass star (with initial mass 3M)

19、. 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 white dwarf,天狼星双星中的白矮星,利用天体测量方法，发现最亮的恒星天狼星A有一颗暗淡的伴星B，是一个双星系统,Sirius A and B. The arrow points to Sirius B, a white dwarf star.

20、 Optical from Lick observatory (left) and X-ray from Chandra (right),确定天狼B是白矮星,天狼星（Sirius）双星，Porb= 50年 天狼A：mv = -1.45m，Mv = 1.4m 天狼B：mv = 8.68m， Mv = 11.6m,轨道运动 M = 1.05 M,Teff = 2.6104 K R 5108 cm,r = 3.8106 gcm-3,天狼B是白矮星,球状星团中有大量白矮星,在H-R图上白矮星位于主序带的左下方,球状星团 M4 包含大约 100,000 颗恒星，其中 40,000 估计为白矮星,白矮星的

21、结构,质量M 0.2-1.1 M （平均 0.6 M） 半径R 5108 -109 cm ( 地球大小） 密度105-107 g cm-3 自转周期 P10 秒,为什么白矮星密度如此之高反而稳定？,1924年，爱丁顿：内部高温原子失去电子，（比原子小得多的）裸原子核可以挤在一起，导致高密度（） 1926年，福勒R. H. Fowler：白矮星内部电子气的简并压力可以抗衡引力，维持稳定结构 与理想气体不同，简并电子压力与温度无关 在高温、高压和高密时，简并电子压力可以大大超过通常的气体压力，足以抗衡向内的引力而使白矮星有稳定的结构,简并电子气,高温原子电离自由电子 高密 电子简并 泡利 不相容原

22、理 简并电子压力，与密度正相关 非相对论性情形 ： Pe 5/3 相对论性情形 ： Pe 4/3,白矮星的冷却,内部没有核聚变产生能源，也没有引力（收缩）能 依然通过内部（简并）储存的热能传导到表面来维持发出微弱的光芒 白矮星只不过在变得越来越冷、越来越暗！但大小保持不变,白矮星的质量半径关系,与主序星迥然不同,压力（非相对论） dP/dR P/R 5/3/R M5/3/R6,引力 gM/R2 M2/R5,白矮星质量越大，其半径越小 !,R/RSun = (M/MSun)0.8,质量增加，引力增加比简并压力增加快,随着白矮星质量增大，其半径减小，电子被积压在更小的空间内，简并电子气运动变成相对

23、论性的 当质量增大，引力比压力增大得更快 白矮星质量上限（引力 压力） 对He白矮星， Mch1.44 M 对C / O白矮星，Mch1.4 M,g M/R2 M2/R5,钱德拉塞卡Chandrasekhar极限质量,dP/dR 4/3/R M4/3/R6,1932，朗道预言，1935 钱德拉塞卡计算,1983诺贝尔物理学奖,3。小质量双星的演化,小质量恒星演化最明显复杂性来自于双星系统 同为主序恒星时，双星的相互影响可能很小 质量较大恒星先离开主序膨胀，其外层物质能够穿越界定双星各自引力范围的分界线而流入质量较小伴星，并加快其演化 质量较大恒星首先演化为白矮星，与质量较小恒星组成一个由白矮星

24、和“正常恒星”组成的双星系统 质量较小恒星也离开主序而膨胀，其物质又返流到白矮星（原质量较大恒星）,3.1 激变变星 Cataclysmic Variables (CVs),白矮星与（演化的）恒星红巨星构成的相接双星 白矮星通过吸积伴星的物质产生紫外和X射线辐射（吸积盘辐射）,在密近双星中，伴星充满洛希（Roche）瓣进行物质交流,3.2 新星 Novae,白矮星通过吸积盘源源不断地吸积伴星物质，富氢物质堆积在白矮星表面，形成一个H的包层或“海洋”。当其温度上升到氢能燃烧时就导致吸积白矮星表面的失控热核反应 (HHe)，即产生新星,激变变星是新星的前身星progenitor,新星：白矮星表面爆发性的氢燃烧 尽管只观测到许多激变变星的一次新星爆发，但其一生中可能会经历多次新星爆发 对于一个激变变星系统，新星再发周期105 年 银河系每年产生约 50 颗新星，但由于星际消光每年发现仅 2-3 颗新星,新星的观测特征,在几天到几星期内亮度增加致其视星等减小7-16星等，然后缓慢下降，经几个月或几年回复到原先状态,辐射主要在光学和紫外波段 爆发时的能量释放率 1045-1046 erg s-1 抛射约10-5-10-3 M 的物质，抛射物质速度100-5000 kms-1,光变曲线,Nova Herculis 武仙座1934,爆发时星等为3m 两个月后星等为12m 40年后向外抛