清华大学天文学导论-7大质量恒星的演化

1、天文学导论,第7讲 大质量恒星演化,It does not do to leave a live dragon out of your calculations, if you live near him. J.R.R. Tolkien (1892-1973) THE HOBBIT,本讲内容,大质量恒星的主序后演化 超新星与超新星遗迹 元素合成 中子星/脉冲星 黑洞（恒星级） X射线双星 伽马射线暴,1。 大质量恒星的演化,大质量(38Msun)恒星与小质量恒星大相径庭： 光度可达太阳的数千甚至数百万倍 在短时间内消耗巨额核燃料，主序寿命显著变短 不同的演化和归宿仍然受相同的物理规律支配，即引

2、力和压力的平衡, 以及决定这种平衡的核反应率,主序阶段H燃烧：CNO循环,净反应: 12C + 41H + 2e- 12C + 4He + 2v + 7 大质量恒星主序阶段，在H聚变为He的反应中， C仅作为一种催化剂 N和O只是中间反应产物,两类H聚变：温度的函数,质子链和 CNO 循环这两种反应的产能率是温度（质量）的函数 M 1.5 Msun （T1.8 千万K）主序恒星，两类H聚变都在发生，但CNO循环远比质子链有效 M 1.5 Msun （T1.8 千万K）主序恒星，质子链产生大部分能量,对流核：化学成分均匀,大的温度梯度使得大质量恒星的核心区处于对流状态 物质融合 当H燃烧时，核心

3、区He均匀增长 化学成分在核心区演化时保持均匀分布（但H/He之比在变小） 小质量恒星：核心区He丰度由内向外减小,25倍太阳质量恒星,非简并核,当核心区的H烧完 （主序阶段结束） ，早在电子简并发生前，由于坍缩，中心核的温度已达到 He 燃烧的108 K He核质量连续增长，但不形成简并He核 在H-R图上，没有加速攀升的 RGB 和 AGB 阶段 无氦闪，从 H 燃烧到 He 燃烧的转换相当平稳 恒星结构的调整发生在恒星内部 光度变化很小,氦燃烧,离开主序时，大质量恒星开始膨胀，因而其表面温度下降，所以在H-R图上几乎水平向右运动 其结构类似于小质量HB星： He核燃烧 + H壳层燃烧 +

4、 ,碳燃烧,当核心He枯竭 C 核坍缩（不简并） 温度上升到T = 8x108 K C 开始燃烧 C燃烧产生大量重元素：钠、氖、镁 结构：C核燃烧 + He壳层燃烧 + H壳层燃烧 + ,重元素依次燃烧!,当核心C枯竭 氖Ne燃烧 + C、He、H壳层燃烧 + 当氖枯竭 氧燃烧 + Ne、C、He、H壳层燃烧 + 当氧枯竭 ,脉动变星 Pulsating variable stars,主序恒星是稳定的 但主序后恒星并非如此，周期性交替变大变小，视为脉动变星 造父变星（Cepheid variables）：最高质量最亮的脉动变星 原型：Delta Cepheid 周光关系：测量邻近星系的距离 天

5、琴座RR星变星 （RR Lyrae variables）：不稳定的HB星（小质量恒星）,造父变星,大质量恒星有高速星风（辐射压）,Eta Carinae （船底座7） M = 100Msun L = 5x106Lsun HST：抛射的尘埃云在膨胀 恒星基本被周围尘埃遮挡 目前质量丢失率: 10-3Msun/年 19世纪(第二亮恒星)喷发：0.1Msun/年；2Msun in 20年 超新星,Fe 是热核聚变所能合成的最重元素,结合能：把原子核分开所需的能量。不同原子核的结合能不同 燃烧必须释放能量：静能量 = 产物结合能 反应物结合能,Fe原子核的结合能最大 铁不会燃烧,重元素燃烧：高核反应率

6、,结合能的不同 最有效的热核反应是 HHe （0.7%） （HeC 的能量转换效率只有 HHe 的1/10，） 为了平衡引力，低能量转换效率的燃烧，单位时间必须消耗更多的燃料 而且，H 和 He燃烧时，能量以较慢的辐射/对流方式向外传输。但C、O、 燃烧时，大量能量则以快速的中微子冷却方式向外传输 恒星向内收缩 增加内部的密度和温度 更剧烈的反应率,核燃烧持续时间快速减少,对 9 M 恒星： H燃烧 持续时间 2千万年 He燃烧 持续时间 2百万年 C燃烧 持续时间 380年 Ne燃烧 持续时间 1.1年 O燃烧 持续时间 8月 Si 燃烧 持续时间 4天 Si 燃烧的能量释放率是He燃烧的约

7、2亿倍！但光度可能仅增加少许（中微子冷却）,铁核开始坍缩,大质量恒星中心的Fe核开始坍缩 Fe核的密度、温度和引力飞速上升 电子简并压也不能支持引力 Fe核继续坍缩到 T = 1010 K，密度 10吨/cm3 10 倍电子简并支持的白矮星的密度,铁核加速坍缩,热伽马射线光子 光致离解 Fe 原子核 消耗中心核的巨额热能 加速Fe核坍缩,铁核加速坍缩,巨大的核密度 e-+p n+v 也消耗巨额热能 加速Fe核坍缩,铁核加速坍缩,中微子继续带走能量 加速Fe核坍缩 这些过程发生时间仅需大约1秒！ Fe核坍缩加速到 70,000km/s ( 1/4 光速)!,II型（核坍缩）超新星爆发 Type

8、II supernova,当core = 原子核，强核力变为斥力，核坍缩停止 下落物质造成反弹激波向外传播 在极端条件下，约1/5 核物质转变为中微子(1秒钟内)。由于高密度，一小部分中微子被滞留在激波后 在核的周围形成一个气泡(极端炽热气体和强烈辐射） 气泡的压力增加了向外运动激波的强度 在约1分钟后激波到达He壳层, 1小时到达并加热恒星表面(T=500,000K) 以约30,000km/s 抛射壳层物质 演化后的大质量恒星以II 型超新星爆炸 （合成比铁重的元素） 核以中子星（或黑洞）的形式遗留下来,特大质量恒星的演化：Ib/Ic型超新星,特大质量（特高光度）恒星通常有伴随强烈的高速星风

9、，如沃尔夫-拉叶(WR)星 星风引起很高的质量损失率： 10-6-10-4 M yr-1 Ib/Ic型（核坍缩）超新星爆发 中子星/黑洞,Nebula M1-67 around star WR124,不同质量恒星的演化结局,2。超新星与超新星遗迹,后汉书-天文志关于公元185年半人马座超新星的历史记载是目前世界上最早的超新星记录,历史上的超新星,超新星的命名,SN+年份+A, B, ., Z 例如 SN 1987A SN+年份 + aa, ab,az； ba,bz；，za,zz 例如 SN 1998bu 目前，每年发现大约数千颗,超新星的主要特征,光度： L107-1010 L 爆发能 E10

10、47-1052 ergs（其中中微子占99%，动能占 1% ，可见光辐射占 0.01%） 膨胀速度 v103-104 kms-1 产物：膨胀气壳（超新星遗迹）+ 致密天体（中子星脉冲星或黑洞） Ia型无致密残骸,超新星对我们意义重大,正是超新星的抛射物（重元素，冲击波）加热星际介质和推动星云 触发新一代恒星的形成 太阳 + 地球 + 人类 威胁地球的定时炸弹！?,超新星的观测分类,由谱线特征分类： I型(Ia, Ib/Ic)：无H线 II型：有H线 光变曲线不同 Ia型：彼此非常相似 II型：彼此相差很大,超新星的爆发机制,Ia（热核）超新星：小质量双星系统中吸积白矮星的C（He，O）爆燃 I

11、b/Ic, II型（核坍缩）超新星：大质量恒星的核坍缩,超新星1987A SN 1987A（II型）,1987.2.23爆发于银河系的一个小的伴星系大麦哲伦云中( 距离160,000光年，靠近南天极) 望眼镜发明（400年）以来第一颗肉眼发现的超新星,前身星：Sanduleak B3 I 兰超巨星： M20M L105L T16,000K, R40R,SN1987A：光变曲线,自初闪100天连续增量到最亮约3等星 然后快速变暗,SN1987A的中微子探测,超新星爆发的大部分能量被中微子带走 中微子辐射能51053 ergs 辐射51058个中微子 爆发前20小时中微子流量51014 m2,在爆

12、发前1.8-3小时，日本神冈II和美国IMB的探测仪测量到19个中微子（爆发）,2002诺贝尔物理学奖（一半）,超新星遗迹 Supernova Remnants（SNR）,超新星爆发所抛出的大量物质在向外运动膨胀过程中与星际物质和磁场相互作用而形成的气体星云 是强射电辐射和高能辐射源（同步加速辐射，激波加热） 年龄 = 105 年,1987A的遗留物：环状星云,HST观测到的环绕SN1987A的气体的三环结构 中心小亮点即为超新星的放射性遗迹（致密天体）,The two bright stars are not part of the system - they just happen to

13、lie in the same direction.,内环的演化,超新星1054、蟹状星云和脉冲星,1054年，中国宋朝，金牛座客星 (guest star) 白天可见三周，很亮三个月 典型的 II型超新星 目前：一个膨胀的遗迹星云（即著名的蟹状星云）+ 中心一个脉冲星 全波段强辐射，且无明显变化 各个波段的标准源,核坍缩超新星遗迹。星云中心的脉冲星喷出粒子，使周围气体发光（蓝色）,大质量恒星瓦解后释放出的氢和氦描绘出星云外部的纤维状结构,蟹状星云 The Crab nebula,地面光学,HST,X射线(Chandra),第谷Ia型超新星,1572年，第谷发现的一颗热核爆炸超新星 最亮视星等

14、：-4,第谷Ia型超新星遗迹,遗迹中包含了硅、铁和其它在X射线波段发光的重元素（绿色和红色） 激波波前（蓝色薄层）正以7500千米/秒的速度向外膨胀 中心无致密天体,天鹅圈/面纱星云,年龄约2000年的超新星爆炸的遗迹 距离 2,500光年,遗迹中心高温气体(T百万K) 的 X射线辐射,冲击波撞击星际云的辐射（蓝为氧，红为硫，绿为氢）,银河系宇宙线：世纪谜团水落石出,星际气体原子核被超新星冲击波多次加速到接近光速,IC 443,W44,Victor Francis Hess (1883-1964) (1936),1912,3。恒星演化、超新星爆发与元素合成,宇宙元素丰度 Cosmic Abun

15、dance：各元素在宇宙中的相对含量,宇宙原初元素(primordial elements),宇宙原初元素：宇宙大爆炸后的早期只合成了最轻的元素（宇宙大爆炸核合成）：H, He 和一些微量的元素 Li, Be, B 绝对没有C、O、 宇宙中的各种元素是如何形成的？,恒星演化与元素的核合成,大部分元素形成于恒星内部的核合成，超新星爆发把新形成的重元素从恒星内部喷射到星际空间,中子的产生与中子俘获反应,比Fe更重的元素是如何形成的？ 大量中子形成于： 恒星演化的内部核反应（慢过程） 超新星爆发时（快过程） 中子是电中性 被原子核俘获 衰变为质子，此过程称为中子俘获反应,比Fe峰更重元素的形成,比F

16、e峰元素更重元素通过中子俘获反应形成 中子俘获： (Z, A) + n (Z, A+1) + 衰变： (Z, A+1) (Z+1, A+1) + e+,e.g., 56Fe + n57Fe+ n 58Fe + n 59Fe 59Co + n 60Co 60Ni,宇宙中的26Al 的1.8 MeV辐射,26Al 仅产生于超新星爆发 26Al 26Mg + 伽马射线：半衰期很短（一百万年） 示踪最近的超新星爆发和恒星形成 太阳系行星际 26Al 太阳系很可能沐浴在相当近期的一次邻近的超新星爆发的喷射物中，对地球生命可能产生过重大影响,恒星的周而复始,4。中子星 Neutron Star (NS),

17、如果核燃料耗尽的恒星残留（Fe）核的质量超过 Chandrasekhar 极限质量，即使坍缩到白矮星的体积，简并电子压力仍不足以抗衡引力，星体继续坍缩，密度越来越高 当电子速度接近光速，发生质子变中子的逆衰变： 电子数减少电子简并压降低加速核心坍缩,主要由中子构成的稳定星称为中子星,中子 静电斥力丧失 加速核心坍缩 中子数增加 （Fe）原子核结合能降低 原子核易分裂 当n= 41011 gcm-3, 中子从（Fe）原子核中滴出 当n= 1014 gcm-3, （Fe）原子核完全瓦解，形成中子海洋 星体物质几乎全为中子，且简并，中子简并压可以抗衡引力，形成新的稳定物态，即中子星,中子星的形成机制

18、,大质量(10 M )恒星内部的核反应过程在恒星中心形成Fe核,II 型超新星爆发，Fe核坍缩形成中子星，观测为脉冲星,中子星可以看成一个巨原子核,由1057 个核子构成，特征质量 M 1.4 M 中子处于简并状态，在中子星内部支撑星体与引力抗衡的是中子简并压力 中子质量是电子的1840倍，更高密度才简并，中子星半径比白矮星小得多，特征半径10 km，密度比白矮星大得多（10 亿倍） 与一般恒星相比，中子星的温度很高,中子星的质量上限,质量-半径关系：中子星质量越大，半径越小 中子星也应有一个质量上限。但由于不了解极高密度的物态，所以质量的理论上限不确定，估计为3 M （奥本海默Oppenhe

19、imer极限质量） 3Msun M（中子星质量） 1.4Msun,中子星的结构,106 gcm-3 41011gcm-3 2 1014gcm- 3 1015gcm-3,表层大气 cm（没显示） 外壳 0.3 km, 固态金属（Fe, e） 内壳 0.6 km, 原子核、游离中子、电子 内部：超流中子和超导质子 核心: 超子/奇异物质？（夸克）,中子星密度：10亿吨/立方厘米!,脉冲星 Pulsars,1967年剑桥大学穆拉德射电天文台研究生Jocelyn Bell （贝尔）利用 A. Hewish（休伊什）领导研制的射电望远镜发现了第一颗射电脉冲星PSR 1919+21 PSR：Pulsati

20、ng Source of Radio 脉冲周期 P1.3373 秒,Hewish was awarded Nobel Prize in Physics 1974,“ 小绿人”（如今成为宇宙探索的重要对象）,贝尔又找到3个脉冲星，脉冲周期都是1秒左右 任何已知天体的辐射都不会是这样的短周期脉冲。这个脉冲信号强弱变化，很像电报 休伊什提出可能是在太阳系外围绕恒星作轨道运动的行星上的“ 小绿人”发出的信号 曾给新发现的脉冲星取名为：小绿人（LGM）1、2、3、4号,贝尔在回顾脉冲星的发现时如是说：,“ 我在搞一项新技术以取得博士学位，可一帮傻呼呼的小绿人却选择了我的天线和我的频率来同我们通讯，但很快

21、断定射电脉冲不是外星人的信号，而是来自特殊天体。” 后来称作“脉冲星” 贝尔并没有和其导师一起获得1974年诺贝尔物理学奖！,脉冲星模型：倾斜的自转磁中子星,中子星有很强的磁场，磁轴与自转轴倾斜，沿着磁轴发射的辐射束随着中子星自转，就像灯塔的光束扫射那样，当它扫过地球方向时，就观测到一个脉冲（1968年T.Gold）。中子星每自转一周，辐射束扫过地球一次，因此脉冲周期就是中子星的自转周期,其它波段辐射也脉冲,又发现射电脉冲星的光学、X射线和伽马射线脉冲，脉冲周期一致,1968年发现位于船帆座超新星遗迹中的脉冲星PSR 0833-45和蟹状星云中的脉冲星PSR 0531+21，射电脉冲周期分别为

22、89 ms和33 ms,Crab pulsar off and on,Vela pulsar,脉冲周期的基本特征,脉冲周期（0.03-4.3秒）稳定（像铯原子钟）。脉冲持续时间：0.001-0.05秒 脉冲周期随时间缓慢增长（如Crab PSR0531+21: 3.6x10-8 s/day）自转越来越慢 脉冲越短，射电脉冲星应越年轻。可由与超新星遗迹成协确定年龄： 1054超新星，脉冲星 PSR0531+21年龄958年，很年轻，脉冲周期很短 船帆座超新星遗迹年龄约11000年，脉冲星PSR0833-45，也很年轻，脉冲周期也很短,脉冲星双星,1974年，泰勒(J. Taylor)和赫尔斯(R

23、. Hulse)发现第一颗双（中子）星射电脉冲星PSR1913+16 轨道周期减小：dPorb/dt = -7.6 105 s yr-1，每年轨道减小约3.5米,脉冲星第二个诺贝尔奖,双中子星绕转 引力波辐射 能量和角动量损失 双星轨道收缩 广义相对论的间接验证：加速运动质量产生引力波 1993年泰勒和赫尔斯获诺贝尔物理学奖,近星时间的累积移动,5。黑洞 Black Holes (BH),超新星爆发后，如果恒星剩余质量超过 3个太阳质量(?)，中子简并压力也不足以抵抗向内的引力 这时在已知的物理理论里面，再没有更强的力足以抗衡引力，恒星残骸只有不断坍缩，最终成为一个奇点的黑洞,黑洞的牛顿理解：

24、逃逸速度,黑洞的牛顿理解：逃逸速度,如果一个天体表面逃逸速度大于光速，那么宇宙中包括光在内的一切都不能逃离其引力的束缚，这个天体便成为黑洞,2.96105 cm (M/M) (对太阳 3km),黑洞的爱因斯坦理解：时空弯曲,质量越大，引力场越强，时空弯曲越强 光线在通过大质量天体附近时不会直线行进,黑洞的爱因斯坦理解：时空弯曲,一个天体越坍缩，其表面附近的时空就越弯曲，则光线弯曲程度也越大。当坍缩到光线因时空弯曲而无法逃逸时就成为黑洞。 而远处时空不受任何影响,正常恒星“坍缩”为黑洞,黑洞周围的时空弯曲最大,黑洞是弯曲时空的一个奇点 (1/R) ，它是一个无限深的引力势井,黑洞的奇点,“黑洞中

25、心”称为奇点：零半径，无限大密度？ 更精确的表述： 因为支持奇点的物理定律未知，不知道那里在发生着什么，科学在那里崩溃！ 奇点: 裸? 不裸? 不裸: 被一个事件视界包裹 则为黑洞,视界 Event horizon,距离黑洞越近，逃逸速度（时空弯曲）越大 逃逸速度=光速（光线“环绕”）的球面称为视界：在视界内的任何信息（物质和光）无法向外传递,视界的性质,黑洞的视界把其周围的时空分为两部分，物质和辐射能从视界外进入其内，但不能反过来 黑洞的视界是绝对的，它是时空的分界线，与观测者无关 黑洞的视界把所有的事件分为两类：在视界以外，可用光信号相互联系；而在视界以内，光线都朝中心会聚 视界就是事件能

26、被探知的极限,黑洞“半径”：视界的大小,视界是有去无返的分界线，其大小与黑洞的质量成正比 不转的电中性的黑洞称为史瓦西Schwarzschild黑洞，其视界的大小=引力半径，称为史瓦西半径：,1 Msun BH: 3km 1 MEarth BH: 1cm,旋转黑洞,旋转黑洞又称为克尔(Kerr)黑洞，与静止黑洞很不同 旋转黑洞有内外两个视界，它们之间的区域称为能层 ergosphere 能层内的物质会被黑洞自转所带动，但能逃离黑洞；内视界内的一切无法逃出,静界,黑洞无毛发定理 No Hair Theorem,任何物体都有复杂性：恒星的质量、光度、大小、密度、磁场、化学成份 黑洞是最简单的统一的

27、整体，黑洞几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质（一旦进入视界，信息全无），谈论黑洞内物质的特性毫无疑义 黑洞保持的物理参数只有质量、角动量和电荷，即可描述黑洞的全部特征，即无毛发定理 (“三毛定理”),黑洞（霍金）辐射（蒸发）,量子力学：真空中的能量涨落产生正反（虚）粒子对 如果在视界附近，反粒子被吸收，黑洞质量减少；正粒子逃逸，带走能量 黑洞辐射,黑洞不太黑,黑洞辐射具有黑体辐射的一切特征 黑洞视界面的温度、黑洞的能损率和寿命 但辐射很弱到通常可以忽略 3 Msun BH, T2x10-8 K 1.6x10-29 瓦 黑洞能量蒸发的能量释放率与质量平方成反比 寿命与质量立方成正比 当M

28、 = 1 M, 10-20焦耳/年，t1067 yr； 当M = 1012 g, 6x109焦耳/秒，t1010 yr 宇宙极早期形成的小黑洞应已经蒸发掉 ( LHC? ),霍金“妙语”：“黑洞不存在”,黑洞防火墙悖论/黑洞信息悖论（量子力学/广义相对论） 掉进黑洞里的信息会怎样？ 量子力学法则：信息永远不可能消失 黑洞视界能破坏信息？ 信息通过霍金辐射逃逸出去 如同防火墙，视界阻止外面的霍金辐射同内部的物质在量子层面保持纠缠 霍金（灰洞）：视平线-视界线 量子效应模糊两者之间的界限，信息可能逃逸 但黑洞还是那么“黑”,黑洞：间接的观测证据,黑洞辐射几乎不可能成为“看见”黑洞的有用工具 黑洞通

29、过自身的引力效应间接表明自身的存在 两种系统存在黑洞的强大的间接证据： X射线双星系统中的恒星级质量黑洞 Stellar black holes （10 M ） 星系中心的超大质量黑洞 Supermassive black hole （SMBH，106 109 M） 超亮X射线源（ULX）：中等质量黑洞（IMBH，103 104 M） ？,寻找恒星级黑洞,途径：搜寻质量（远）超过中子星质量上限（3 M）的致密星 确定致密天体性质（半径）：X射线辐射的时变 确定致密天体质量：双星轨道运动 X射线双星,6。X射线双星 (X-ray binaries),由致密星 (中子星或黑洞)与“恒星”所组成的双

30、星系统 致密星通过吸积伴星物质产生X射线辐射 吸积盘, T 百万 K 强X射线辐射 有时：相对论喷流 微类星体（micro-quasar）,黑洞,（类比激变变星）,Father of X-ray Astronomy: Riccardo Giacconi,Pioneering contributions to astrophysics, which have led to the discovery of cosmic X-ray sources Half of the 2002 Nobel physics prize (Half prize to Raymond Davis, Jr. (USA) and Masatoshi Koshiba (Japan): Pioneering contributions to astrophysics, in particular for the detection of cosmic neutrinos ),里卡尔多 贾科尼,主要的空间X射线望远镜,Uhuru,Einstein,ROSAT,ASC