恒星的演化.docx

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恒星的演化

恒星的演化

§主序星的演化

1、恒星演化的基本原理：

恒星在一生的演化中总是试图处于稳定状态（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，于是开始演化。

引力在其中起了关键的作用。

恒星从星云中诞生，这个结果是引力造成的，因为引力使得星云中的物质聚集成了恒星。

但是另一方面，引力会使得它在体积上不断收缩，为了使得引力作用在某种程度上达到平衡，恒星需要在内部产生能量，产生能量的目的是为了抗衡引力，否则它会持续收缩。

在达到平衡的过程里，恒星要付出代价，恒星要不断消耗自身物质，产生新的元素，元素在转化的过程中能量释放出来，内部结构也会发生变化，最终有一天恒星没有任何能源可以供给，它的生命就结束了。

所以说恒星的一生是一部与引力斗争的历史。

2、Russel-Vogt原理

如果恒星处于流体静力学平衡和热平衡，而且它的能量来自内部的核反应，它们的结构和演化就会完全唯一地由初始质量和化学丰度决定。

这个原理在实际上可能不是非常符合，因为恒星的质量会不可避免地发生变化，但是初始质量和化学丰度仍然是决定恒星结构和演化的重要因素。

这里我们主要谈质量的影响。

3、恒星演化时标

核时标（NuclearTimescale）：

恒星内部通过核心区（约占恒星质量的十分之一）核反应的产能时间。

比如太阳，它并不是把所有的质量都烧光了，它其实只有0.1倍太阳质量作为可用的燃料。

我们有下面的结果：

E是它总的能量，L是光度，也就是它能量消耗的速率，E可以写成ΔMc2，，其中ΔM是恒星核心区的质量，并不是恒星的总质量，η是能量转换的效率。

上式是以太阳质量和太阳光度作为单位的。

一旦恒星的核燃料烧光了，它会快速地变化，进入新的平衡状态，新的平衡状态转变的时标比核反应时标要快得多。

热时标（ThermalTimescale）：

恒星辐射自身热能的时间，或光子从恒星内部到达表面的时间，是指恒星把自身能量或热量全部辐射光了。

这个发生在恒星把自身燃料烧完了，没有新的燃料供给，它完全通过把原来储藏的热量散发出去。

动力学时标（DynamicalTimescale）：

如果恒星内部压力突然消失，在引力作用下坍缩的时间，近似可以看成自由落体。

在自由落体过程中坍缩的时间，如对太阳这样的恒星只需半小时的时间就可以坍缩成更加致密的天体。

坍缩的时间依赖于半径。

并且即使是同一颗恒星不同区域坍缩时间不同，半径越小的区域坍缩得越快。

超新星爆发就是这样的动力学时标不一致造成的。

如何通过观测的手段来挖掘恒星演化的信息呢？

这时候统计就变得非常重要了。

我们今天看到最多的是主序的恒星，年老的、年轻的恒星相对比较少。

这样或许可以说明不同恒星演化时标不同，主序星演化的时标最长。

我们同样可以在赫罗图上找到答案。

恒星演化的不同状态在赫罗图上的位置等都不同。

4、主序星的演化

主序星：

在赫罗图上位于主序带的恒星。

主序星的性质：

★均匀的化学组成（通过对流）

★核心H燃烧

★质量范围：

0.08M⊙＜M＜~100M⊙

★质光关系和质量-半径关系：

L~M2.5-4，R~M0.5-1

主序星在赫罗图上的演化：

主序带——主序星从核心H燃烧开始到结束在赫罗图上占据的带状区域。

看下页图。

恒星一开始落在主序带的最左侧，也就是这条橙黄色的线代表的，这是新生的主序星。

但是随着时间的推移，它的位置逐渐向右边偏移，这意味着它的表面温度要降低一些，它的总的光度有的升高幅度大，有的升高幅度小。

当恒星到达右边蓝细线的时候，它的核心氢就燃烧完了。

恒星最早是从零龄主序（ZeroAgeMainSequence,ZAMS）开始，这是刚刚开始核心氢燃烧的恒星，在赫罗图上占据主序带的最左侧（下页图橙黄色线）。

随着时间推移它会逐渐向右推移，这经历的时间不同，要看恒星的核演化时标（核反应时标）。

质量越大的恒星演化得越快，寿命越短，恒星的质量决定了寿命。

因为质量越大，它燃烧得也越快。

下标给出了不同质量的主序星的演化时标

M（M⊙）

30

15

1.0

0.5

tn（yr）

2×106

107

1010

6×1010

燃烧效率不同。

大质量恒星燃料多，但是“挥霍”得快；小质量恒星燃料少，但它花的效率少。

在演化过程中，时间长短不一致，但它们内部发生的次序几乎是相同的。

主序星内部化学组成的变化是：

随着核反应的进行，核心区的H元素丰度逐渐减小，直至枯竭，全部转化成He。

恒星内部本身元素变化反映出我们看的表面温度和光度变化，在赫罗图上就是位置发生变化（赫罗图反映的是外表的性质）。

演化路径（EvolutionaryTrack）：

核反应4H→4He⇨核心区总的粒子数n↓→核心区气体压力Pc↓⇨核心收缩Rc↓⇨核心区温度Tc↑，核反应产能率（它依赖于温度）ε↑⇨光度L↑⇨包层压力P↑⇨恒星半径R↑（以上带有下标c的代表是核心的，c=core）。

由于半径增加了，使得它的温度稍微降低了一些，原因就是之前的Stefan-Boltzmann（斯蒂芬-玻尔兹曼）定律：

L=4πr2σT4。

虽然L增加了一点，但是由于半径的增加更快，是平方关系，所以导致恒星表面温度下降更快。

这是表面温度，不是核心区的温度。

对于恒星演化来讲，他核心区温度始终在增加。

§恒星主序后的演化

不同质量恒星一生演化也不同。

对于大质量恒星，它从气体云坍缩中形成一个正常的恒星。

一开始是主序方式存在，当主序结束以后会进入超巨星阶段，体积会变得非常庞大，这个过程经历时间非常短。

这之后会发生超新星爆发，形成黑洞或中子星。

在超新星爆发的过程中有大量的物质被抛射到星际空间去了，这些物质可能又会形成下一代的恒星。

对于小质量恒星，它也是从云块坍缩中形成主序星，在主序星漫长的过程结束以后进入巨星阶段（不是超巨星）。

它的死亡相对温和，不是通过爆发，最终形成一个白矮星，外层气体包层被抛射出去，形成行星状星云。

1、类太阳恒星的演化（上图一定要记住，下面经常会提到图中的数字）

★脱离主序——亚巨星支（SubgiantBrunch）

①在赫罗图上（恒星表面）：

恒星逐渐向右脱离主序，向亚巨星演化。

亚巨星是在主序上面，但是在巨星下面，我们叫亚巨星。

②内部过程：

核心H枯竭，He核收缩，壳层H燃烧，体积膨胀，表面温度降低。

因为恒星中心氢燃烧完了，留下氦，恒星内部是氦核作为核心的，但是从前面知识知道，氦燃烧需要1亿℃的温度，而氢在1000万℃左右就可以燃烧了。

这样氦生成之后并不是马上进行燃烧，这是核心压力和温度达不到氦燃烧条件造成的，在这情形下核心并不在燃烧，燃烧的是壳层的氢。

原因——中心实际上没有能源了，没有能源的话，单靠热量支撑不了核心区，所以核心区会在引力作用下坍缩，这个区域半径减小，温度升高。

温度升高了，结果是在核心氦没燃烧前，周围壳层氢燃烧了。

我们知道，恒星从中心到边界它都分布着氢元素，只不过里面的氢完全被烧光了，但是稍外一点的地方氢依然存在。

所以由于核心的收缩导致的温度增加，使得壳层氢先燃烧。

因此在核心燃烧过程结束之后先进行壳层氢燃烧。

壳层氢燃烧意味着燃烧源离整个包层更近，因为它更外面一些了，它不是在最核心的区域里面，所以能量更容易传输到表面上去，使得整体体积膨胀。

因为燃烧导致的光子带来的气体压力推动了恒星整体体积膨胀，膨胀的结果是温度降低，它变得更大了，但是外表面变得更冷了。

所以恒星在这个时候在赫罗图上，恒星向右方变化，因为温度降低，但壳层氢燃烧与原来核心氢燃烧在光度上差别并不是很大，所以在纵坐标上的变化并不是很明显。

所以它几乎是水平状的向右边变化，这就是我们所谓的亚巨星分支的来源（图中1到2）。

这个过程会一直持续下去，如果核心氦不燃烧的话它一直膨胀一直冷却下去。

内部过程：

核心H枯竭，He核收缩，壳层H燃烧，体积膨胀，表面温度降低。

τ≈108yr

★红巨星分支

但是恒星不会沿着这条路一直走走到非常冷的阶段。

它到某一个特定温度（3000K左右），它停止向右迁移，反而向上攀升到红巨星分支（图中从2到3的过程）。

原因：

内部结构变化造成的。

所以综上我们看到1到2光度基本不变，2到3表面温度几乎不变。

光度的升高，伴随着半径的增大。

这时候，恒星体积会变得非常大，变得非常明亮。

在亚巨星这个阶段，由于核心氢燃烧停止，导致核心氦处于一直收缩的阶段。

在达到它的点火温度之前收缩过程是不会停止的。

这意味着它的体积一直在减小，于是发生这些现象：

温度持续上升，导致壳层氢温度也在上升，使得壳层氢燃烧效率变得更快了，更多的氢投入燃烧的过程里面了。

这就是光度上升的原因——核心温度变得更高了，温度变高不是燃烧造成的，而是由于氦核收缩导致的。

通常正常的主序星是不会发生这样的事情的，因为正常的恒星我们前面的知识知道，它有一个自我调节的功能：

如果温度升高，核心会膨胀一点，最终把温度降下来。

但是氦核做不到这一点，因为这时候它处于电子简并状态。

在氦核很小的区域密度太高了，高到电子不遵循理想气体状态方程了，它表现为简并状态。

所谓简并状态就是低能态都被占据了，很多电子在相同温度下必须占据高能态，这就是电子简并。

壳层氢燃烧导致光度急剧升高了，同时更多的光子传到恒星表面，这传输过程使得恒星体积进一步膨胀，本来温度应该更加下降了，但是这膨胀导致温度降低达到一个极限，这个极限叫HayashiTrack（林忠四郎线）。

综上所述：

内部氦核进一步收缩Rc↓→导致Tc↑，核区电子简并→壳层氢先燃烧L↑→R↑→T↑→恒星包层产生对流→HayashiTrack（林忠四郎线）。

τ≈105yr

★HayashiTrack（林忠四郎线）：

它和图中2到3的过程非常相近。

林忠四郎线含义：

恒星温度下降导致在包层里产生对流，本来像太阳的恒星的包层就是对流为主的，但是随着膨胀，对流在这区域变得更大了，如果说表面温度降得更低，低到连对流都没有办法有效传递能量的时候，这个时候恒星就变得不稳定了，因为辐射已经不再有效了，如果对流这个时候它的效率也达不到恒星热平衡的条件的话，这样的恒星本身是不存在的。

所以林忠四郎线的含义就是以对流传输能量的恒星能够达到的最低的温度。

更低的温度这样的恒星在本质上是不能够存在的。

由于这个原因恒星温度并没有下降，而是向上走，沿着林忠四郎线，沿着边界的温度向上攀升。

这种攀升如果说核心氦性质不变的话，它就会一直持续向上攀升，因为壳层氢温度始终在提升。

红巨星的结构：

最核心的区域是氦核，是氢燃烧的灰烬，这时候它还没有进行燃烧。

在氦核外面包裹的区域是非常炽热的氢的包层，这个氢的包层在燃烧。

这时候恒星是通过壳层的氢的燃烧来提供能量的。

整个外面的红色庞大区域是对流为主的恒星包层，恒星的半径可能会增加几十倍。

★氦闪（HeliumFlash）

上图中，2到3攀升过程结束，我们说达到了红巨星这个分支的顶点（当然是在赫罗图上啦），在顶点的时候就不会再向上攀升了。

这时候发生的是氦的燃烧过程。

在恒星内部，首先是核心氢的燃烧，核心氢燃烧光了就形成氦核，在氦核没有燃烧前壳层氢先燃烧，而氦核一直在收缩，这收缩是随着温度的升高而进行的。

当温度终于升高到1亿℃的时候，核心的氦开始燃烧了。

所以图中3这一点是红巨星分支攀升的顶点，因为在这一时刻核心氦开始点火了。

所以我们看到从3开始，恒星实际上有两个能源，一个是核心氦的燃烧，一个是周围壳层的氢依然在燃烧，这是双能源供给的。

由于核心氦的燃烧使得核心区温度进一步上升，因为原来是通过收缩释放引力能的，现在核反应释放的能量加进来了，所以温度进一步升高。

但是电子依然处于简并状态。

简并电子的一个重要的性质是：

简并电子的气体压力不依赖于温度。

理想气体的状态方程是：

而对于简并电子，它的气体压力是：

其中n是数密度，γ可以在三分之四到三分之五之间，它和温度本身没有关系。

类似地对于正常恒星来讲，如果温度上升，意味着总的压强会上升，于是核心会发生膨胀然后把温度降下来。

但是对于简并的气体，简