恒星的演变.docx

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恒星的演变

恒星的演变

——研究性学习报告

一个恒星的生命历程可分为五个阶段，诞生，成年，中年，老年和死亡，这像极了一个人的生命历程，不同的是，恒星的生命远比人的寿命长，平均可达几千亿年。

在本次研究中，最主要的是他生命中的后半段——老年和死亡。

在开始探究之前，有一幅图务必要提一下，那便是赫罗图。

这幅图形象的描绘了一颗恒星的生命历程，从诞生初到成为一颗主序星，然后步入中年，成为红巨星，最后变成白矮星或中子星，又或是成为一个黑洞。

同时赫罗图还是研究恒星演化的重要依据，也是本次研究的重点。

1.诞生与成年

一颗恒星的生命往往是从巨分子云中开始的，一次意外的事件造成巨分子云内部引力坍缩，这些意外事件可能为星系碰撞，超新星爆发等，这使得巨分子云分解成更小的片段，其中小于50个太阳质量的会形成初始星，有的初始星质量很小，无法完成核聚变反应，变成棕矮星，慢慢冷却，最后死亡。

然而，一些质量大的初始星，中心温度达到1000万K,这时恒星内部开始发生核聚变反应,氢聚变成氦，接着恒星失去流体静力平衡，但这是短暂的，辐射压与引力相平衡，恒星逐渐稳定下来，成为一颗主序星。

每一颗刚诞生的恒星都会落在赫罗图主序带上的一个特定的点上，只不过停留的长短有些不同，质量小的红矮星能在主序带上停留数千亿年之久，而质量大的超巨星只能停留几百万年，这是因为超巨星需要更多的辐射压力来抵抗引力，因此氢燃烧的速率更快，所以停留的时间短。

恒星成年的标志便是形成主序星。

2.中年，晚年与死亡

在恒星出现几百万到几千亿年后，它内部的氢逐渐被消耗完，辐射压开始减小，在引力作用下，恒星开始坍缩，此时恒星内部的温度急剧升高，当温度达到一亿开氏度时，恒星内部发生氦聚变，核反应所产生的热能使恒星剧烈膨胀，成为红巨星。

这时核反应所产生的辐射压重新与引力平衡，形成流体静力平衡。

恒星下一步演变将由质量决定。

质量较小的恒星在氢消耗完后，由于引力作用，恒星开始坍缩，但由于质量原因，内部温度无法达到氦聚变的温度，恒星继续坍缩，此时恒星密度变得很大，量子泡沫也叫时空泡沫（spacetimefoam），是惠勒（JohnWheeler）1955年根据量子力学提出的概念。

量子泡沫是极小尺度（普朗克长度量级）下量子振荡的定性描述。

在这么小的时空尺度下，不确定关系使粒子和能量瞬间产生，然后消失。

电子简并运动产生的压力重新与引力相平衡，恒星变成一颗白矮星，对于白矮星，这里要说明一下，先看一幅图，

这里的阻抗是指恒星体积收缩1%所对应压力增大的百分比。

先看1.2倍太阳质量的那条虚线，在实线右端，虚线在实线上方，引力超过压力，恒星继续坍缩，周长变小，同时阻抗沿实线上升，最终与实线相交，此时压力与引力平衡，恒星处于流体静力平衡，变成白矮星。

实线右边呢？

虚线在实线下方，压力超过引力，恒星爆炸，因为恒星必须保持流体静力平衡，所以白矮星的周长只能处于实线与虚线的交点处，因此，白矮星是相对稳定的。

至于1.5倍太阳质量的那条虚线，它将永远浮在实线上，继续坍缩下去直到某种力使压力重新与引力平衡。

对于最大白矮星质量，钱德拉塞卡通过微分方程的计算得出了结果，这个最大质量约为1.44倍太阳质量，也就是它的前身核心质量不超过1.44倍太阳质量，因此这个值被称为钱德拉塞卡极限。

回到上文中1.5倍太阳质量的恒星，它会继续坍缩，直到核力发挥作用，当恒星内部密度达到原子核的密度时，核内物质成了中子的气体，又在核力的作用下，周长减小，同时质量减小，减小的那部分物质变成了超新星爆发的能量，具体过程如下

超新星爆发后，中子星便形成了，对于质量和能量的转化，具体关系如下：

前面提到白矮星有一个最大质量，同样的中子星也存在一个最大质量，最大质量可看做2倍太阳质量，同时它的前身核心质量不超过3.2倍太阳质量，整体质量不超过20倍太阳质量，这个最大质量被称为奥本海默极限。

接下来再看一幅图，它解释了白矮星如何坍缩成中子星，

白矮星物质转变成中子星物质在密度为

时发生，转变有三个阶段；第一阶段，电子被挤入原子核，核内质子与电子相结合形成中子，由于失去一些电子，电子简并运动减弱，阻抗突然变小，造成上图的一个陡落，原子核因为中子而胀大，触发第二阶段，中子从核中被挤出来，被挤出来的中子和电子一样，做着简并运动，抵抗引力，阻抗增大，使图像回升。

第三阶段,密度为