03-恒星演化课件

1、三、恒星演化,天文学家用望远镜观测恒星，测量它们的光度、直径、质量，其目的都是为了理解恒星究竟是什么。 上一讲是关于恒星的诞生，下一讲将讲述它们怎样死亡，而这一讲则是恒星故事的中心它们怎样生存。 一如既往，证据仍然是我们最为重视的部分，所有关于恒星演化的理论都需要观测事实来支持，而不是简单地接受它们。,引言,I. 主序星 A. 恒星模型 B. 为什么有主序 C. 主序的结束 D. 主序星的一生 E. 恒星的预期寿命 II. 主序后演化 A. 膨胀成为巨星 B. 简并物质 C. 氦聚变 D. 比氦更重的聚变元素,主要内容,III. 演化的证据：星团 A. 观测星团 B. 星团演化 IV.演化的证

2、据：变星 A. 造父变星和RR天琴座变星 B. 脉动变星 C. 变星的周期变化,主要内容(续),恒星的结构和演化由以下定律决定：,主序星,流体静力学平衡,能量输运,质量守恒,能量守恒,恒星的质量（及其化学成分）完全决定了它的所有性质。,这就是为什么恒星一开始全都排在主序带上的原因。,太阳核聚变半径约为0.3Rsun,主序星的最大质量,h Carinae (Eta Carinae),a) 恒星形成过程中，质量越大的云碎裂成越小的碎片。,b) 质量非常大的恒星由于强烈的星风而失去许多质量。,例:船底座星是由两颗质量分别为60 Msun和70 Msun的恒星构成的双星系统。1843年发生的主要爆发过

3、程中产生了双瓣结构，并伴有剧烈的质量损失。,Mmax 100Msun,主序星的最小质量,Mmin = 0.08 Msun,质量小于0.08 Msun, 的恒星前身不能达到足够的高温以点燃核聚变反应。, 褐矮星,Gliese 229B,褐矮星,由于非常暗淡及低温，褐矮星很难被观测到，其辐射主要集中在红外波段。,许多褐矮星是在恒星形成区中被探测到的，如猎户座星云(the Orion Nebula)。,主序上的演化 (1),零龄主序(ZAMS),主序星主要通过氢聚变成氦获得能量,氢的供给是有限度的 = 生命有限,主序上演化,主序上的演化(2),光度 L M3.5,恒星的寿命T 能量存储/光度,T M

4、/L 1/M2.5,能量存储 M,质量大的恒星寿命短！,主序后演化: 膨胀成为红巨星,核区的氢已经完全转化成氦,核区外围的壳层中氢继续燃烧,氦核+氢燃烧壳层产生了比提供压力支持所需的更多的能量,恒星外层膨胀冷却 红巨星,核区的 “氢燃烧” (即氢聚变成氦)停止。,膨胀进入巨星分支,在不活跃的氦核和氢壳燃烧阶段发生膨胀和表面冷却,太阳将膨胀超过地球轨道！,简并物质,氦核中的物质已耗尽其能源, 热压强不足以抵抗和平衡引力作用。, 假设此时物质处于一种新的状态，称为 简并物质,简并核中产生的压强是由于电子具有能量，它们之间不能靠近到任意距离。,红巨星演化,4 H He,He,壳层中的氢燃烧继续向核区

5、注入氦,氦核变得越来越致密，温度越来越高（引力收缩），直至达到核聚变的下一个阶段：,氦通过“3氦过程 ”发生聚变,4He + 4He 8Be + g 8Be + 4He 12C + g,氦聚变,氦核中的压强和温度足够高时,简并的氦核可以聚变形成更重的元素，发生氦闪:,不活动的氦,C, O,红巨星演化（5倍太阳质量恒星）,膨胀成巨星过程中热能转化为引力能，温度降低。,巨星膨胀过程中产能增多，光度增大。,聚变成更重的元素,聚变成比碳、氧更重的元素:,需要非常高的能量，只发生在很大质量的恒星中（大于8倍太阳质量）,一颗大质量恒星( 8 Msun)的“生命之钟”,我们把一颗大质量恒星的一生压缩到一天,

6、12,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,主序上的寿命 + 膨胀成为红巨星: 22小时24分 氢燃烧,H = He,H = He,He = C, O,氦燃烧： (红巨星阶段) 1小时35分53秒,一颗大质量恒星的“生命之钟”(2),H = He,He = C, O,C = Ne, Na, Mg, O,Ne = O, Mg,H = He,He = C, O,C = Ne, Na, Mg, O,12,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,碳燃烧: 6.99 秒,氖燃烧: 6 毫秒,23:59:59.996,一颗大质量恒星的

7、“生命之钟”(3),H = He,He = C, O,C = Ne, Na, Mg, O,Ne = O, Mg,氧燃烧: 3.97 毫秒,23:59:59.99997,O = Si, S, P,H = He,He = C, O,C = Ne, Na, Mg, O,Ne = O, Mg,硅燃烧: 0.03 毫秒,最终 0.03毫秒!,O = Si, S, P,Si = Fe, Co, Ni,恒星主序后演化总结,M 8 Msun,M 4 Msun,4 - 8 Msun的恒星演化过程尚不明确。,碳、氧核形成时聚变停止,由于星风而损失的质量使它们都演化成4 Msun 的恒星。,红矮星：从未点燃氦燃烧,

8、M 0.4 Msun,超新星,聚变过程; 铁核形成,恒星演化的证据：星团,一个星团中的恒星都具有大致相同的年龄！,质量较大的恒星比质量较小的恒星演化得快。,如果将一个星团中的所有恒星都放在一张赫罗图上，质量最大的那些恒星（左上方）将会消失！,星团的赫罗图,例：星团M55的赫罗图,大质量恒星演化到巨星分支,小质量恒星仍留在主序,拐点,估计星团年龄,主序带上拐点越低，星团越老,恒星演化的证据：变星,有一些恒星显示出的光度变化不是由于双星系统中的相互重叠引起的，而是内禀的。,最重要的例子: 仙王座(d Cephei),仙王座的光变曲线,造父变星：周期光度关系,造父变星的变化周期是与其光度相联系的。,

9、= 通过测量造父变星的周期，我们就可以确定它的绝对星等！,光度越高，周期变化越慢。,造父距离测量,通过比较造父变星的绝对星等和视星等，我们就可以测量它们的距离（使用1/d2定律)！,造父距离测量是第一种可以测量超过银河系范围距离的方法！,造父变星的光度可以达到太阳的4万倍 = 可以在其它星系中被辨认出来,脉动变星：不稳定带,某些恒星具有特定的半径和温度组合，能够保持周期性振荡。,这些组合对应于一条不稳定带,造父变星的半径以 5 10 % 的幅度振荡。,脉动变星： 活门机制,部份氦电离区不透明，且吸收的能量超过了平衡外层引力所必需的能量 = 膨胀,膨胀过程中，部份氦电离区变得比较透明，吸收的能量

10、减少 来自外层的引力将它向内推 收缩,压缩过程中，部份氦电离区又变得不透明，吸收的能量超过平衡所需 = 膨胀,变星周期变化,有些变星的周期并不是恒定不变的,这是由于恒星的演化。, 恒星演化的另一项证据,小测试,1. 在构建一个简单的恒星模型时，下列哪个因素不考虑在内？ a. 流体静力学平衡 b. 能量输运 c. 磁场 d. 质量守恒 e. 能量守恒,小测试,2. 根据下图推测，太阳的核聚变区半径大约是多少？ a. 0.10倍太阳半径 b. 0.30倍太阳半径 c. 0.50倍太阳半径 d. 0.70倍太阳半径 e. 0.90倍太阳半径,小测试,3. 为什么主序星有0.08倍太阳质量的质量下限？

11、 a. 这是一个未解的天文学之谜。 b. 比这个质量更低的物体不能在HI 云中形成。 c. 比这个质量更低的物体温度不够高，不足以使普通的氢发生核聚变。. d. 它们形成的过程太换面，附近的炽热恒星会很快将气体和尘埃清除掉。 e. 我们的望远镜不能收集到足够的光线以探测到这些昏暗的物体。,小测试,4.为什么主序星有大约100倍太阳质量的质量上限？ a. 大分子云中没有足够的物质。 b. 广义相对论不允许大质量物体存在。 c. 由于旋转速率太高，质量太大的物体会分裂成两颗恒星。 d. 大于这个质量的物体中氢聚变太快，因此不可能稳定存在。 e.大于这个质量的物体确实在分子云中形成，但是它们不发射光

12、，因此不把它们看作恒星。,小测试,5. 为什么质量较小的主序星数量比质量较大的主序星多？ a. 分子云中形成的小质量主序星比较多。 b. 小质量主序星的寿命比大质量主序星的寿命长得多。 c. 大质量主序星失去一部分质量，从而变成小质量主序星。 d. 以上a和b。 e. 以上所有。,小测试,6. 为什么恒星的预期寿命取决于质量？ a. 质量决定了恒星中供给核聚变的能量。 b. 质量较大的恒星可以长时间发生氢聚变。 c. 质量决定了恒星中的燃料消耗率。 d.以上a和b。 e.以上a和c。,小测试,7. 主序星的下列哪一项观测性质直接表征了这颗恒星的产能率？ a. 表面温度 b. 光度 c. 直径

13、d. 距离 e. 年龄,小测试,8. 为什么膨胀中的巨星温度会降低？ a. 恒星内部产生的能量减少。 b. 恒星内部产生的能量增多。 c. 热能被转化成引力能。 d.以上a和b。 e.以上a和c。,小测试,9. 下列哪种主序星的预期寿命比太阳长？ a. 光谱型 B9. b. 光谱型 K2. c. 光谱型 A7. d. 光谱型 O5. e. 光谱型 F4.,小测试,10. 恒星的主序阶段和它的整个核聚变阶段相比是什么关系？ a. 恒星的主序阶段约占其整个核聚变阶段的10%。 b. 恒星的主序阶段约占其整个核聚变阶段的30%。 c. 恒星的主序阶段约占其整个核聚变阶段的50%。 d. 恒星的主序阶

14、段约占其整个核聚变阶段的70%。 e. 恒星的主序阶段约占其整个核聚变阶段的90%。,小测试,11. 为什么正在膨胀的巨星变得明亮？ a. 其内部产能减少。 b. 其内部产能增多。 c. 热能被转化成引力能。 d.以上a和b。 e.以上a和c。,小测试,12. 巨星内部不活跃的氦核中引起温度升高的因素是什么？ a. 氢壳层聚变 b. 氦壳层聚变 c. 引力收缩 d. 3氦过程 e. 以上a和b,小测试,13. 太阳的生命后期，会在赫罗图上两次上升登上巨星分支。在爬上巨星分支的过程中，太阳的核区在发生什么？ 两次登上巨星分支的过程中，太阳核区都在发生氢聚变成氦的反应。 两次登上巨星分支的过程中，

15、太阳核区都在发生氦聚变成碳和氧的反应。 第一次太阳核区发生的是氢聚变成氦的反应，第二次发生的是氦聚变成碳和氧的反应。 第一次太阳核区发生的是氦聚变成碳和氧的反应，第二次不活动。 两次登上巨星分支的过程中太阳核区都不活动。,小测试,14. 为什么有些恒星中从不发生氦闪? a. 有些恒星从不离开主序。 b. 有些恒星中不包含简并的氦核。 c. 有些恒星中发生的是氢闪，而不是氦闪。 d. 有些恒星中没有氦。 e. 以上全部。,小测试,15. 为什么低质量恒星不能点燃更大质量的核燃料（如碳）？ a. 它们温度不够高。 b. 它们形成过程中没有积累足够的碳。 c. 铍是极其不稳定的。 d. 碳原子核中中

16、子数太多。 e. 以上a和d。,小测试,16. 问什么根据星团能肯定恒星在演化？ a. 星团的赫罗图缺少主序上端。 b. 星团的赫罗图缺少主序下端。 c. 可以跟您据多普勒效应估测恒星在星团中的相对运动。 d. 球状星团中的脉动变星表现出周期-光度关系。 e. 星团有时会失去一些成员。,小测试,17. 星团的年龄与其拐点的关系如何？ a. 星团年龄即拐点处恒星的预期寿命。 b. 拐点越高，星团越老。 c. 拐点越低，星团越老。 d. 以上a和b。 e. 以上a和c。,小测试,18. 两种星团年龄的一般趋势是什么？ a. 球状星团比较年轻，疏散星团比较年老。 b. 球状星团比较年老，疏散星团比较年轻。 c. 所有星团都非常年轻。 d. 所有星团都非常年老。 e. 两种星团都有非常年轻和非常年老的成员。,小测试,19. 从右图可以看出，周期为30天的II型造父变星，其绝对星等是多少？ a. -5 b. -4 c. -3 d. -2 e. -1,小测试,20. 造父变星的周期及其最近一次极大值的时间可以用来预测下一次极大值的时间。