2025/8/151第三章

恒星的形成與演化恒星形成恒星結(jié)構(gòu)元素合成恒星演化超

新

星密近雙星

2025/8/15xkong@2恒星形成Studyingthischapterwillenableyouto:Discussthefactorsthatcompeteagainstgravityintheprocessofstarformation.Explainhowtheprocessofstarformationdependsonstellarmass.Describesomeoftheobservationalevidencesupportingthemoderntheoryofstarformation.Explainthenatureofinterstellarshockwaves,anddiscusstheirpossibleroleintheformationofstars.2025/8/15xkong@3早期大爆炸第一代結(jié)構(gòu)現(xiàn)在2025/8/15xkong@4大爆炸宇宙學(xué)宇宙的極早期，宇宙的溫度和密度都極高溫度不斷下降，宇宙輻射為主

物質(zhì)為主氣體逐漸凝聚成氣云，然后有恒星、星系

恒星形成理論星際氣體怎么會形

成光輝奪目的恒星

呢？2025/8/15xkong@5Howdostarsform?Whatfactorsdeterminethemasses,luminosities,anddistributionofstarsinourGalaxy?Whatdetermineswhichinterstellarcloudscollapse?引力！引力為天體和整個宇宙動力學(xué)的支配者2025/8/15xkong@62025/8/157恒星形成理論:彌漫學(xué)說

散布于空間彌漫物質(zhì)在引力作用下凝聚為恒星宇宙空間存在著大量的星際物質(zhì):原子/分子/塵埃由于星際物質(zhì)密度的不均勻性，形成了一些密度較大區(qū)域星際物質(zhì)受到引力的作用，便聚集到這些區(qū)域，形成星云星云不斷收縮，勢能轉(zhuǎn)換為恒星內(nèi)部熱能和向外的輻射能星云溫度不斷提高，并向外輻射能量，從而形成原始恒星不同類型的恒星規(guī)模較小的星云形成一個孤立的恒星,大的星云由于密度不均勻,其中有幾個質(zhì)量中心,因而形成雙星、聚星或星團(tuán)。質(zhì)量非常小的星云,不能收縮成為恒星2025/8/15xkong@8金斯（Jeans）不穩(wěn)定性由萬有引力產(chǎn)生的一種不穩(wěn)定性，因金斯在20世紀(jì)初最先研究而得名對于一個如星云的自引力體系，當(dāng)星云的質(zhì)量足夠高時，(向內(nèi)的)引力超過由熱運(yùn)動和湍動產(chǎn)生的(向外的)壓力，將引起星云的收縮星云不穩(wěn)定的極限質(zhì)量稱為金斯(Jeans)質(zhì)量：JamesJeans1877-19462025/8/15xkong@9中性氫云：n~1cm-3,T~100K→MJ~3×104M⊙暗分子云：n~106cm-3,T~10K→MJ~1M⊙Jeans質(zhì)量判據(jù)給出了非相對論、無磁場星云坍縮的必要條件(并不是所有的星云都可以形成恒星)金斯（Jeans）不穩(wěn)定性2025/8/15xkong@12其它影響恒星形成的因素：能量的有效輻射輻射壓將反抗引力,阻礙星云塌縮星系潮汐力影響星云原初角動量Rotation—thatis,spin—canalsocompetewithgravity'sinwardpull垂直自轉(zhuǎn)軸方向停止收縮，平行方向繼續(xù)收縮，星云變得扁平且密度增大，最終星云碎裂?？偨莿恿勘环纸鉃楦鱾€碎塊的自轉(zhuǎn)和軌道角動量。2025/8/15xkong@13其它影響恒星形成的因素：原始星云的磁場原始星云一般具有微弱的磁場。隨著星云收縮，磁場強(qiáng)度變大。磁場將阻止星云收縮，特別是垂直于磁場方向的收縮。Magnetismcanhinderthecontractionofagascloud,especiallyindirectionsperpendiculartothemagneticfield(solidlines).Frames(a),(b),and(c)tracetheevolutionofaslowlycontractinginterstellarcloudhavingsomemagnetism.2025/8/15xkong@14演化軌跡：eachforafixedmassatdifferenttimes等年齡線：eachforafixedtimeanddifferentmasses2025/8/15xkong@15階段觀測天體核心溫度(K)表面溫度(K)核心密度(cm-3)直徑(cm)持續(xù)時間(yr)1星際云101010310192×1062星云塊1001010610173×104類太陽質(zhì)量恒星的形成星云的快速收縮過程(密度小，輻射透明，等溫收縮)1.星際云(interstellarcloud):星際云坍縮，并分裂成小云塊(密度上升，金斯質(zhì)量減小)2.星云塊(cloudfragments):星云仍十分稀薄，熱量可以不受阻礙地散逸，星云內(nèi)的溫度沒有明顯上升

2025/8/15xkong@163.碎裂停止(fragmentationceasess):星云進(jìn)一步坍縮和分裂，密度上升。核心區(qū)域變得不透明，溫度迅速上升，金斯質(zhì)量增大。星云停止分裂。(等溫收縮

絕熱收縮）階段觀測天體核心溫度(K)表面溫度(K)核心密度(cm-3)直徑(cm)持續(xù)時間(yr)3云塊/原恒星104100101210151052025/8/15xkong@174.形成原恒星(protostar):星云快速收縮過程結(jié)束，引力幾乎和氣體壓力相等。恒星已經(jīng)變得不透明，輻射只能從表面逸出，中心溫度迅速升高。

5.原恒星演化(protostellarevolution):

原恒星向主序演化為主序前星，但內(nèi)部溫度還沒有升高到H點(diǎn)火溫度階段觀測天體核心溫度(K)表面溫度(K)核心密度(cm-3)直徑(cm)持續(xù)時間(yr)4原恒星1063000101810131065主序前星5×1064000102210121072025/8/15xkong@182025/8/15xkong@196.零齡主序

(zero-agemain-sequencestars):恒星熱核反應(yīng)(H燃燒)開始進(jìn)行，成為零齡主序恒星。光度約為現(xiàn)在太陽光度的2/3。

7.主序星

(main-sequencestars):恒星略微收縮，完全達(dá)到流體靜力學(xué)平衡，成為正常恒星.階段觀測天體核心溫度(K)表面溫度(K)核心密度(cm-3)直徑(cm)持續(xù)時間(yr)6零齡主序107450010252×10113×1077主序星1.5×107600010261.5×101110102025/8/15xkong@20Evolutionofa1-Solar-MassStar2025/8/15xkong@21PrestellarevolutionarypathsforstarsmoremassiveandlessmassivethanourSun.2025/8/15xkong@22原恒星質(zhì)量(M⊙)0.21.05.015.0原恒星演化時間(yr)1093×1077×1066×104不同質(zhì)量的恒星在形成過程中，在H-R圖上沿不同的路徑演化。小質(zhì)量原恒星內(nèi)部對流發(fā)展充分，溫差小，收縮時表面溫度幾乎不變；大質(zhì)量原恒星對流層淺，溫度變低。質(zhì)量越高的恒星，其原恒星演化到主序的時間越短，在主序上的位置越高。

具有不同質(zhì)量恒星的形成2025/8/15xkong@23FormationofMassiveStarsandClustersMassivestarshavemassesthataremuchlargerthantheJeansmassinthecloudcoreswheretheyform.Thelargecloudcoresmightcontainmanysmallboundclumps.

Thesecoresmightformgroupsorclustersofstars.NGC36032025/8/15xkong@24褐矮星(BrownDwarfs)Masses<0.08M⊙(10MJ-84MJ)CentralTe<3millionKSurfacetemperature~1000KTWA5anditsbrowndwarfcompanioninInfrared(left)andinX-ray(right).2025/8/15xkong@25DifferencesbetweenbrowndwarfsandplanetsPlanetsaresmallerandlighterPlanetshaveasolidcoreTheyareformedinacompletedifferentway2025/8/15xkong@26初始質(zhì)量函數(shù)(InitialMassFunction)Generallymorelow-massthanhigh-massstarsformwhenaninterstellarcloudfragments.Thestellarinitialmassfunction(IMF)describestheprobabilityofastarformingwithaparticularmass.ForSalpeterIMF,x=1.352025/8/15xkong@27恒星形成理論的觀測證據(jù)Theevolutionarystagesdescribedarederivedfromnumericalexperimentsperformedoncomputers.2025/8/15xkong@28EVIDENCEOFCLOUDCONTRACTIONTheM20regionshowsobservationalevidenceforthreebroadphasesinthebirthofastar:(1)theparentcloud(stage1),(2)acontractingfragment(betweenstages1and2),and(3)theemissionnebula(M20itself)resultingfromtheformationofoneormoremassivestars(stages6and7)2025/8/15xkong@29EVIDENCEOFCLOUDFRAGMENTS(a)Orion(b)enlarged.Thethreeframesatrightshowsomeoftheevidenceforthoseprotostars.(c)someintenselyemittingmolecularsites.(d)visibleimageofembeddednebular"knots"thoughttoharborprotostars.(e)severalyoungstarssurroundedbydisksofgasanddustwhereplanetsmightultimatelyform.Orion2025/8/15xkong@30HST拍攝到了迄今為止最清晰的獵戶座星云全景照片。這張照片不僅顯示出大量恒星的誕生，也包含有罕見的褐矮星。OrionNebula

2025/8/15xkong@31獵戶星云縮小圖最大恒星darkredcolumnFailingstarsSculptingthelandscapePillarsofgas2025/8/15xkong@32ImagefromSpitzerand

HSTwavelengthsof0.43,0.50,and0.53micronsisblue.Lightwithwavelengthsof0.6,0.65,and0.91micronsisgreen.Lightof3.6micronsisorange8-micronlightisred.

2025/8/15xkong@332025/8/15xkong@34EVIDENCEOFPROTOSTARSAninfraredimageofthenearbyregioncontainingthesourceBarnard5(indicatedbythearrow,asolar-massprotostar).Onthebasisofitstemperatureandluminosity,Barnard5appearstobeaprotostarontheHayashitrackintheH—Rdiagram,aroundstage5.2025/8/15xkong@35HST在可見光波段拍攝了這個鷹狀星云中的“誕生柱”，并且使得它揚(yáng)名全球。GasPillarsintheEagleNebula(M16):PillarsofCreationinaStar-FormingRegion2025/8/15xkong@362025/8/15xkong@37Spitzer:心宿增四星云內(nèi)的年輕恒星.發(fā)現(xiàn)大約有300顆正在出現(xiàn)和新形成的恒星，平均年齡在估計(jì)只有30萬年

2025/8/15xkong@38疏散星團(tuán)的H-R圖星團(tuán)NGC2261的H-R圖：原恒星到達(dá)主序的位置和時間隨質(zhì)量的變化。2025/8/15xkong@39(1)激波壓縮超新星爆發(fā)、熱星輻射或銀河系旋臂轉(zhuǎn)動等過程產(chǎn)生激波。激波壓縮附近的星云，使其密度增大，觸發(fā)恒星的形成。

恒星形成過程可能類似于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。星云M20中的激波壓縮效應(yīng)星云坍縮的觸發(fā)機(jī)制2025/8/15xkong@40恒星誕生膨脹激波新生恒星2025/8/15xkong@412025/8/15xkong@42(2)星云碰撞

星系自轉(zhuǎn)，它的組成物質(zhì)在運(yùn)動中穿旋臂而過，恒星偕同星際物質(zhì)在這樣的過程中都是由彎曲旋臂的內(nèi)側(cè)進(jìn)去，再從外側(cè)出來。星系物質(zhì)穿越密度較大的旋臂，引起產(chǎn)星過程。

2025/8/15xkong@432025/8/15xkong@44Stepstotheformationofstarsandplanets:Cloudsofgasformwithingalaxies.Formationofstructurewithinthegasclouds,dueto"turbulence"andactivityofnewstars.Randomturbulentprocessesleadtoregionsdenseenoughtocollapseundertheirownweight,inspiteofahostileenvironment.Asblobcollapses,adiskforms,withgrowing"protostar"atthecenter.Atthesametime,bipolaroutflowsfromformingstar/disksystembegin.2025/8/15xkong@45Materialisprocessed,movinginfromtheblobtothedisk.Whatisnotlostintheoutflowbuildsupontheprotostar.Whentheprotostarbeginstoundergofusion,itbecomesarealstar.Oncetheoutflowceasesandthe"accretion"phasethatleadtothebuildupofthestarends,adiskof"leftover"materialisleftaroundthestar.Atorneartheendofthestar-formationprocess,theremainingmaterialinthe"circumstellardisk"formsavarietyofplanets.Eventually,allthatisleftbehindisanewstar,perhapssomeplanets,andadiskofleft-overground-upsolidsSELF-TEST:TRUEORFALSE?Giventhetypicaltemperaturesfoundininterstellarspace,acloudcontainingasfewas1000atomshassufficientgravityforittobegintocollapseBothrotationandmagneticfieldsacttoacceleratethegravitationalcollapseofaninterstellarcloud.Thetimeasolar-typestarspendsformingisrelativelyshortcomparedtothetimeitspendsasamain-sequencestar.Starsevolvealongthemainsequence.Moststarsformasmembersofgroupsorclustersofstars.Browndwarfstakealongtimetoformbutwilleventuallyarriveasstarsonthelowermainsequence.Shockwavesforstarformationcanalsobeproducedbylargestarsmovingrapidlythroughtheinterstellarmedium.Instarformation,moreG,K,andMstarsformthanOandBstars.Thegasinanemissionnebulaeventuallydissipatesintospace,leavingbehindastarclusterStarclusterseventuallydissipate,leavingbehindindividualstarsliketheSun.2025/8/15xkong@462025/8/15xkong@47第三章

恒星的形成與演化恒星形成恒星結(jié)構(gòu)元素合成恒星演化超

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星密近雙星

/~xkong/introast2025/8/15xkong@48恒星結(jié)構(gòu)恒星結(jié)構(gòu)：研究恒星內(nèi)部發(fā)生的各種物理過程，和由這些過程決定的恒星特征量特征參量：內(nèi)部的密度、壓強(qiáng)、溫度、輻射、化學(xué)組成，以及它們的分布研究手段：理論＋觀測合理的簡化假設(shè)建立基本方程組相關(guān)的邊界條件恒星的物態(tài)方程求解基本方程組與觀測比較檢驗(yàn)2025/8/15xkong@49孤立的體系：只受到自引力和內(nèi)部壓力的作用球?qū)ΨQ體系：同心球?qū)铀M成，每一球?qū)觾?nèi)物理化學(xué)性質(zhì)均勻，3D1D簡單的體系：忽略磁場、潮汐力和自轉(zhuǎn)的影響穩(wěn)定的體系：內(nèi)部滿足流體靜力學(xué)平衡m,l,P,TrM,L,0,TeffX,Y,Z0,0,Pc,TcCentre:r=0Surface:r=R簡化假設(shè)恒星在自身引力和內(nèi)部壓力作用下內(nèi)部有輻射轉(zhuǎn)移的流體球,滿足無磁場/非相對論和球?qū)ΨQ條件.2025/8/15xkong@50基本方程組1.質(zhì)量分布方程

考慮質(zhì)量為M、半徑為R的氣體球，半徑為r、厚度為dr的球殼所包含的質(zhì)量為：

dM(r)＝4pr2rdr

dM(r)/dr＝4pr2r

dr/dM(r)＝1/4pr2r2025/8/15xkong@512.流體靜力學(xué)平衡方程半徑為r、厚度為dr的球殼內(nèi)面積為dA的氣體元：(引力和壓力平衡)重力

dFg＝－GM(r)dM/r2

＝－GM(r)rdAdr/r2壓力

dFP＝PdA－(P+dP)dA

＝－dPdA0＝dFg+dFP

＝－GM(r)rdAdr/r2－dPdAdP/dr＝－GM(r)r(r)/r2

r

rP+PPF2025/8/15xkong@523.能量平衡方程光度方程:反應(yīng)光度隨半徑的變化率每秒由恒星表面輻射出去的總能量＝內(nèi)部每秒產(chǎn)生的總能量L(r)—單位時間通過半徑為r的球面的能量,輻射能流e(r)—單位物質(zhì)在單位時間產(chǎn)生的能量,總產(chǎn)能率半徑為r、厚度為dr的球殼兩側(cè)的能量差:dL＝L(r+dr)－L(r)＝edM＝4pr2redrdL/dr＝4pr2r(r)e(r)2025/8/15xkong@4.能量輸運(yùn)方程(能流方程)恒星中心和外部溫度不同，內(nèi)部存在溫度梯度：

能量從恒星內(nèi)部傳送到外部，主要由輻射和對流兩種方式恒星通常由氣體構(gòu)成，內(nèi)部熱傳導(dǎo)效應(yīng)不重要，可以忽略dT/dMr=dT/dMr|rad+dT/dMr|condP/dr＝－GM(r)r(r)/r2

dr/dM(r)＝1/4pr2r2025/8/15xkong@545.物態(tài)方程P＝P(T,r,X,Y,Z)表示恒星內(nèi)部的壓強(qiáng)、溫度、密度和化學(xué)組成關(guān)系的方程氣體內(nèi)部的總壓強(qiáng)由氣體粒子運(yùn)動產(chǎn)生的氣體壓強(qiáng)和光子產(chǎn)生的輻射壓強(qiáng)

P＝Pg

＋Pr

非簡并氣體(non-degenerategas)理想氣體狀態(tài)方程Pg＝nkT(n為單位體積中粒子數(shù))對完全電離等離子體：

Pg＝rkT

(2X＋3Y/4＋Z/2

)/mH

(其中mH為H原子質(zhì)量)X/Y/Z定義為H/He/重元素各自密度與恒星總密度之比輻射壓Pr＝aT4/32025/8/15xkong@55簡并氣體

(DegenerateGas)(1)

電子簡并條件：高密、低溫

(2)電子簡并壓的物理成因

：Pauli不相容原理：對一個費(fèi)米子組成的系統(tǒng),不能有兩個或兩個以上的粒子處在同一量子態(tài)泡利不相容原理禁止不同的組成粒子占據(jù)同一量子態(tài),因此,就會迫使粒子進(jìn)入高能態(tài),從而產(chǎn)生巨大的簡并壓力

(3)電子簡并壓

非相對論性電子（v<<c）:Pe~r

5/3相對論性電子（v≤c）:Pe~r4/3

抗壓縮性，簡并氣體的壓力與溫度無關(guān)(4)離子壓強(qiáng)

PI＝rkT

(X＋Y/4

)/mHPt=Pg+Pr=Pi+Pe+Pr2025/8/15xkong@56簡并條件溫度一定，密度越高越容易簡并密度一定，溫度越低越容易簡并溫度、密度一定，粒子質(zhì)量越小越容易簡并系統(tǒng)中粒子的德布羅意波長大于等于粒子之間的平均距離：相對論非相對論2025/8/15xkong@57EoSregimesP=nkTP=nkTP=KURn4/3P=KNRn5/3=n/N0

PR=aT4/32025/8/15xkong@58平衡的恒星球體內(nèi)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由它的化學(xué)成份和總質(zhì)量唯一確定給定化學(xué)元素組成XYZ，核產(chǎn)能率和吸收系數(shù)邊界條件：

當(dāng)r＝0時，M(0)＝0，L(0)=0;當(dāng)r＝R時，M(R)＝M,T(R)=0,P(R)=0.恒星結(jié)構(gòu)方程和物態(tài)方程可唯一求得恒星的結(jié)構(gòu)即恒星從中心到表面不同半徑r處的壓強(qiáng)P,密度r,溫度T,質(zhì)量M,光度L,產(chǎn)能率e,和不透明度k等。核燃燒使化學(xué)成份發(fā)生變化時，恒星的結(jié)構(gòu)也隨之變化恒星結(jié)構(gòu)解的唯一性定理2025/8/15xkong@59buildingmodels~Pc為恒星中心壓強(qiáng),M,R為恒星質(zhì)量和半徑P=nkT

恒星以光度L>0輻射能量時,總能量減少(dE/dt<0);但dU/dt>0,即溫度卻上升了減少的引力能一半變成了內(nèi)能,一半變成了輻射能2025/8/15xkong@63Stellartimescales恒星演化時標(biāo)StarssuchastheSunclearlydonotchangetheirpropertiesrapidly.Sohowfastcantheychange?Dynamically–free-fallThermally–radiativecoolingChemically–nucleosynthesisRadiatively–diffusion2025/8/15xkong@64動力學(xué)時標(biāo)(free-fall)從流體靜力學(xué)平衡被破壞開始，到重新建立流體靜力學(xué)止，中間所需要的時間如果恒星內(nèi)部壓力突然消失，在引力作用下恒星坍縮時間：

td＝

R/V≈(R3/GM)1/2≈(27min)(R/R⊙)3/2(M/M⊙)-1/2(由恒星內(nèi)部的運(yùn)動方程,忽略壓力項(xiàng)時,即自由落體,可以求得)also:thecharacteristictimeforasignificantdeparturefromhydrostaticequilibriumtoalterthestateofastarappreciably,thetimetakenforabodyorbitingatthesurfaceofthestartomakeonecompleterevolution,thetimeforasoundwavetopropagatethroughthestar2025/8/15xkong@65開爾文時標(biāo)

：thermaltime恒星將全部勢能轉(zhuǎn)換為輻射能所能持續(xù)的時間

tk＝V/L=(GM2/R)/L≈(3×107yr)(M/M⊙)2(R/R⊙)-1(L/L⊙)-1

計(jì)算：thetimerequiredforabodytoradiateits總內(nèi)能UUisrelatedto引力能VbyVirialtheoremU

=–(1/2)V.ButV=–qGM2/R,whereq=3/5~unity,sothattK=q/2GM2/LR~3107qM2/LRy

whereM,LandRareinsolarunits.The“Kelvintime”istherelaxationtimefordepartureofastarfromthermalequilibrium.AlsothetimerequiredforastartocontractfrominfinitedispersiontoitspresentradiusatconstantL2025/8/15xkong@66核反應(yīng)時標(biāo)

nucleartime恒星通過核心區(qū)（約占恒星質(zhì)量1/10）核反應(yīng)的產(chǎn)能時間tn=E/L＝hDMc2/L≈0.7%0.1Mc2/L≈(1010yr)(M/M⊙)(L/L⊙)-1計(jì)算：thefusionoffourprotonstocreateanalpha-particlereleasesenergyQ~26MeVtotalavailablenuclearenergyEnuc=qM/4mp.Qq~unityrepresentsfractionofthestaravailableasnuclearfuel.主序星燃燒氫的時間,

tnuc

~

1x1011

q(M/M

)/(L/L

)y

RD

1

2

N2025/8/15xkong@67擴(kuò)散時標(biāo)diffusiontime輻射能轉(zhuǎn)移：光子與電子發(fā)生碰撞散射。

Ifthephoton-pathisarandom-walkofNsteps,eachoflength,thetotaldistancetravelledisd=N

,butthenettdistancetravelledisD2=N

2Toescape,thephotonmusttraveladistanceR,whichwilltake：tdiff

R2/

c~5

105Ry

Comparetheescapetimefornoninteractingparticles(egneutrinos):tesc=R/c=2.3RsRinsolarunits.

2025/8/15xkong@68comparativetimescales2025/8/15xkong@69第三章

恒星的形成與演化恒星形成恒星結(jié)構(gòu)元素合成恒星演化超

新

星密近雙星

2025/8/15xkong@702025/8/15xkong@712025/8/15xkong@72燃燒過程產(chǎn)物溫度(K)最小質(zhì)量(M⊙)H燃燒He2×107~0.1He燃燒C,O2×108~1.0C燃燒O,Ne,Na,Mg8×108~1.4Ne燃燒O,Mg1.5×109~5.0O燃燒Mg-S2.0×109~10.Si燃燒Fe峰元素3.0×109~20.核反應(yīng)

元素合成原初元素(PrimordialElements)—大部分的H,He和少量的Li,B,Be形成于宇宙大爆炸初期其他元素來源于恒星內(nèi)部的核合成

(NuclearSynthesis)2025/8/15xkong@73結(jié)合能:將若干個核子結(jié)合成原子核放出的能量或?qū)⒃雍说暮俗尤糠稚㈤_來所需的能量。原子核的質(zhì)量小于組成原子核的全部核子質(zhì)量的總和，差額Δm稱為質(zhì)量虧損,Δmc2就是核結(jié)合能質(zhì)量中等的核，比結(jié)合能量最大，它們最為穩(wěn)定p-p鏈(Proton-ProtonChain)

M<2M⊙,中心溫度介于7x106-2x107K的主序星,核心處發(fā)生的核反應(yīng)主要是p-p鏈所代表第氫核聚變pp鏈有三個分支:PPI,PPII,PPIII隨著恒星內(nèi)部溫度升高，氫核聚變逐漸由PPI到PPIII過渡2025/8/15xkong@742025/8/15xkong@75PPI:2A+2B+C

26.2MeV41H

4He+26.2Mev2025/8/15xkong@762025/8/15xkong@77PPIII:41H

4He+19.2MeVPPII:41H

4He+25.7MeV中間過程不同,中間生成物不同,中微子帶走第能量不同,最后輻射的能量也有所差異CNO循環(huán)－H變?yōu)镠e的另一途徑質(zhì)量較大的恒星內(nèi)部，中心溫度和密度較高C、N和O只是的反應(yīng)的催化劑或中間生成物M>2M⊙,Tc>2x107K的主序星,主要發(fā)生的核反應(yīng)是CNO循環(huán)CNO循環(huán)有2個分支CNO-I:41H

4He+25.01MevCNO-2:41H

4He+24.8Mev

2025/8/15xkong@782025/8/15xkong@79CNO-I2025/8/15xkong@80CNOcycleTheCNOcycleisa“catalytic”process.Theprincipalreactantsareneithercreatednordestroyed.2025/8/15xkong@81當(dāng)恒星核內(nèi)溫度超過4x108K時,會發(fā)生3重a粒子反應(yīng),重元素開始形成3個4He核聚合為穩(wěn)定12C的過程

~104–105gcm-3,andT>108KThereactionreleases7.27MeVper12Cproduced.34He

12C+7.27Mev氦燃燒：

3-

Process2025/8/15xkong@82碳燃燒：恒星中心溫度達(dá)到T>6x108K氧燃燒：2025/8/15xkong@83relativerates2025/8/15xkong@84比Fe峰元素更重元素的形成—中子俘獲反應(yīng)e.g.,56Fe+n→57Fe+n→58Fe+n→59Fe→59Co+n→60Co→60Ni2025/8/15xkong@85元素合成福勒對宇宙中化學(xué)元素形成具有重要意義的核反應(yīng)所進(jìn)行的理論和實(shí)驗(yàn)的研究，得到NobelprizeforPhysics

（1983）2025/8/15xkong@86第三章

恒星的形成與演化恒星形成恒星結(jié)構(gòu)元素合成恒星演化超

新

星密近雙星

2025/8/15xkong@87Studyingthischapterwillenableyouto:

Explainwhystarsevolveoffthemainsequence

OutlinetheeventsthatoccurafteraSun-likestarexhauststhesupplyofhydrogeninitscore

Summarizethestagesinthedeathofatypicallow-massstaranddescribetheresultingremnantContrasttheevolutionaryhistoriesofhigh-massandlow-massstarsDiscusstheobservationsthathelpverifythetheoryofstellarevolution恒星演化2025/8/15xkong@882025/8/15xkong@881.星際云

2.星云塊

3.碎裂停止

4.形成原恒星5.主序前星6.零齡主序

7.主序星小質(zhì)量恒星演化

M<2.3M⊙

2025/8/15xkong@89主序階段觀測發(fā)現(xiàn)，絕大部分恒星在H－R圖中的位置落在一條窄帶上，這條窄帶被稱為主序帶主序星性質(zhì)：均勻的化學(xué)組成

核心氫燃燒，完全流體靜力學(xué)平衡

質(zhì)量范圍：

0.08M⊙<M<100M⊙

零齡主序：剛剛開始核心氫燃燒的恒星，在H-R圖上占據(jù)主序帶的最左側(cè)2025/8/15xkong@90主序星的內(nèi)部化學(xué)組成的變化隨著核反應(yīng)的進(jìn)行，核心區(qū)的H元素豐度逐漸減小，直至枯竭，全部轉(zhuǎn)變成He。演化時標(biāo)—核反應(yīng)時標(biāo)tn＝hDMc2/L

質(zhì)量大的恒星，演化時標(biāo)短，較快離開主序階段2025/8/15xkong@91主序帶：主序星從核心H燃燒開始到結(jié)束在H-R圖上占據(jù)的帶狀區(qū)域演化路徑核反應(yīng)4H→4He

→核區(qū)粒子數(shù)n減少→Pc=nkT下降→核心收縮Rc→核心區(qū)溫度Tc上升→光度L增加→包層壓力P增加→恒星半徑R增大2025/8/15xkong@922025/8/15xkong@93主序后的演化OBAFGKMlow luminosity highWhitedwarfsReddwarfsMainsequenceSuper-giantsGiants當(dāng)恒星核心區(qū)的氫完全耗盡，恒星開始脫離主序。2025/8/15xkong@948.亞巨星支核心氫燒完、枯竭，形成氦中心核和氫豐富的外層中心T降低，氦尚沒點(diǎn)燃；外殼氫燃燒，中心氦核增大氦核收縮，殼層氫燃燒；體積膨脹，表面溫度降低恒星逐漸向右脫離主序2025/8/15xkong@952025/8/15xkong@969.紅巨星支He核進(jìn)一步收縮,中心溫度Tc上升，核區(qū)電子簡并半徑R增大，殼層H燃燒；

光度增加，膨脹使得溫度下降

恒星包層產(chǎn)生對流→HayashiTrack在HR圖上向右上方攀升成為紅巨星。2025/8/15xkong@972025/8/15xkong@982025/8/15xkong@98林忠四郎線(Hayashiline)2025/8/15xkong@99氦閃

紅巨星支的頂點(diǎn)：核心He開始燃燒

→Tc↑(簡并時，壓力P與溫度無關(guān)，半徑不變,不膨脹)→e↑→Tc↑→...→核心He爆燃

(Dt~min,L~1011L⊙)→電子簡并解除2025/8/15xkong@10010.水平分支中心燃燒氦，外層燃燒氫氦閃使得中心氦核簡并解除，進(jìn)入穩(wěn)定的氦燃燒階段(氦聚變?yōu)樘嫉?a反應(yīng))外殼層繼續(xù)氫燃燒，溫度增加星核膨脹、吸熱，光度劇減恒星向左下方移至水平支2025/8/15xkong@10111.漸進(jìn)巨星支中心氦耗盡，變成C、O核，核反應(yīng)停止，開始收縮收縮升高外層壓力和溫度，核心外層又有一層氦點(diǎn)火氦燃燒殼層外的氫殼層在繼續(xù)燃燒雙殼層產(chǎn)能使得恒星光度大增，外包層膨脹H-R圖：恒星向右上方再次攀升成為紅超巨星2025/8/15xkong@1022025/8/15xkong@103(a)H—Rdiagramofanoldstarcluster—theglobularclusterM3,(b)Wide-anglephotographshowingM3asitappearsinthenightsky.2025/8/15xkong@1042025/8/15xkong@10512.行星狀星云殼層內(nèi)發(fā)生氦閃(不穩(wěn)定燃燒)恒星外殼層發(fā)生脈動(熱脈沖)拋射紅巨星的包層(25%-60%恒星質(zhì)量)形成行星狀星云+高溫簡并CO核恒星在HR圖上向左方移動2025/8/15xkong@106行星狀星云(PlanetaryNebulae)低質(zhì)量恒星在死亡時拋出的氣體包層，受到中心高溫白矮星的輻射電離而發(fā)光。

通常為環(huán)形，年齡不超過~5×104yr。螺旋星云HelixNebula

2025/8/15xkong@1072025/8/15xkong@108/newscenter/archive/releases/nebula/planetary/2007/He2-47,NGC5315,IC4593,andNGC5307

2025/8/15xkong@109M57–RingNebula2025/8/15xkong@110Cat’sEye2025/8/15xkong@111EskimoNebula2025/8/15xkong@1122025/8/15xkong@11313.CO核坍縮成白矮星14.白矮星冷卻白矮星冷卻→黑矮星2025/8/15xkong@114Summaryof1M

evolution2025/8/15xkong@115Summaryof1M

evolution

2025/8/15xkong@116Summaryof1M

evolution2025/8/15xkong@1172025/8/15xkong@118STAGE持續(xù)時間(yr)中心溫度(106K)表面溫度(K)中心密度(kg/m3)RADIUSOBJECT(km)R⊙710101560001051051主序星81085040001071063亞巨星支91051004000108107100氦閃10107200500010710610水平分支111042504000108108500AGB1210530010^510101040.01碳核

—300010-171081000PN13—10050,00010101040.01白矮星14—趨于0趨于010101040.01黑矮星2025/8/15xkong@119中等質(zhì)量恒星的演化與低質(zhì)量恒星演化的主要區(qū)別：恒星內(nèi)部的H燃燒通過CNO循環(huán)進(jìn)行，內(nèi)部溫度更高主序壽命更短。演化到RGB時間也非常短。He核不再是簡并的，C和更重元素的燃燒可平穩(wěn)進(jìn)行

2025/8/15xkong@120中等質(zhì)量恒星的演化核心區(qū)核反應(yīng)產(chǎn)生的能量主要以對流的方式向外傳遞外層中氫和氦電離區(qū)存在脈動，多次穿過造父脈動代演化的最終產(chǎn)物可能是碳氧白矮星或發(fā)生超新星爆發(fā)2025/8/15xkong@1215M⊙恒星的演化2025/8/15xkong@122giant-branchstarsHHeH>He2025/8/15xkong@123horizontal-branchstarsHHeH>HeHe>C/O2025/8/15xkong@124asymptoticgiant-branchstarsHHeH>HeHe>C/OC/O2025/8/15xkong@125planetary-nebulaformation2025/8/15xkong@126大質(zhì)量恒星演化

M>8M⊙

C燃燒時不會出現(xiàn)劇烈的C閃耀現(xiàn)象中心氦燃燒階段在HRD上不會打圈星風(fēng)強(qiáng)，星風(fēng)造成的物質(zhì)流失嚴(yán)重星風(fēng)和內(nèi)部對流使得大質(zhì)量星在藍(lán)、紅超巨星間往復(fù)通過超新星爆發(fā)形成中子星或黑洞藍(lán)超巨星黃超巨星紅超巨星超新星2025/8/15xkong@127恒星內(nèi)部物理過程

：核心H枯竭→殼層H燃燒→核心He燃燒→核心He枯竭→殼層He和H燃燒→核心C燃燒→核心C枯竭→殼層C、He和H燃燒→O,Ne,Si燃燒…→Fe核2025/8/15xkong@1282025/8/15xkong@129EvolutionaryStagesofa25M⊙Star

Stage

溫度(K)

密度(g/cm3)

持續(xù)時間

Hburning

4×107

5

7×106years

Heliumburning

2×108

700

5×105years

Carbonburning

6×108

2×105

600years

Neonburning

1.2×109

4×106

1year

Oxygenburning

1.5×109

107

6months

Siliconburning

2.7×109

3×107

1day

Corecollapse

5.4×109

3×109

1/4second

Corebounce

2.3×1010

4×1014

milliseconds

Explosion

about109

varies

10seconds

2025/8/15xkong@130星風(fēng)引起的質(zhì)量損失高光度恒星通常有很強(qiáng)的星風(fēng)，質(zhì)量損失率～10-6-10-4

M⊙yr-1

如沃爾夫-拉葉(WR)星。演化過程 O型星→藍(lán)超巨星→(紅超巨星)→WR星→Ib/Ic型超新星→中子星/黑洞NebulaM1-67aroundstarWR124特大質(zhì)量恒星的演化2025/8/15xkong@1312025/8/15xkong@1322025/8/15xkong@1332025/8/15xkong@1342025/8/15xkong@135第三章

恒星的形成與演化恒星形成恒星結(jié)構(gòu)元素合成恒星演化超

新

星密近雙星

2025/8/15xkong@136Asupernova(supernovaeorsupernovas)isastellarexplosionthatcreatesanextremelyluminousobject.超新星是某些恒星在演化末期時經(jīng)歷的一種劇烈爆炸

超新星2025/8/15xkong@137特征：恒星世界發(fā)生最劇烈的活動光度L～107-1010

L⊙，增亮Lf/Li～108

爆發(fā)能E～1047-1052ergs

(中微子99%，動能1%，可見光輻射占0.01%)膨脹速度v～103-104kms-1

產(chǎn)物：膨脹氣殼(超新星遺跡)+致密天體(中子星或黑洞)

2025/8/15xkong@1382025/8/15xkong@139SN1987A2025/8/15xkong@140爆發(fā)時間

(AD)

光度極大星等發(fā)現(xiàn)者遺跡185?－8中國天文學(xué)家RCW86393?－1中國天文學(xué)家837?－8?中國天文學(xué)家IC4431006－10中/阿天文學(xué)家SN10061054－5中/日天文學(xué)家CrabNebula1181－1中/日天文學(xué)家3C581572－4TychoBraheTycho1604－3KeplerKepler16805?JohnlamsteedCasA1987+2.9IanSheltonSN1987A歷史超新星2025/8/15xkong@1412025/8/15xkong@142SN1006

Supernova:OneMillenniumafterSN1006Hangzhou，2006

景德三年五月壬寅朔（即西元1006年5月30日），司天監(jiān)丞奏：四月戊寅（即西元1006年5月1日）初見大星。色黃。出庫樓東，騎官西，漸漸光明

2025/8/15xkong@143SN1054蟹狀星云

CrabNebulaandCrabPulsar2025/8/15xkong@144“Tycho’sSupernova”(1572)第谷2025/8/15xkong@145Kepler'ssupernovaremnant(1604)

2025/8/15xkong@146Supernova1987Aexplodedon1987February23,intheLargeMagellanicCloud.

2025/8/15xkong@147超新星的分類

光變曲線不同Ⅰ型光變曲線的峰值很“銳”，絕對峰值光度較亮，爆發(fā)后變暗時速度緩慢；Ⅱ型光變曲線的峰值稍“鈍”一些，絕對峰值光度較暗，爆發(fā)后很快變暗

2025/8/15xkong@148超新星的分類

光譜吸收線不同

I型：沒有氫吸收線

Ia型：沒有氫、氦吸收線，有硅吸收線

Ib型：沒有氫吸收線，有氦吸收線

Ic型：沒有氫、氦、硅吸收線

II型：有氫吸收線

2025/8/15xkong@149Ia超新星爆發(fā)：雙星系統(tǒng)中吸積白矮星C爆轟SN爆發(fā)機(jī)制MechanismforType1ASupernovaExplosions2025/8/15xkong@150Ib、Ic和II型超新星爆發(fā)：大質(zhì)量恒星的核坍縮a)核聚變停止，形成鐵核；b)核坍縮，核心溫度升高；c)鐵原子核被光致分解，核心被中子化，產(chǎn)生大量中微子d)中微子流與下落物質(zhì)作用，形成激波e)激波將外殼驅(qū)散,形成超新星爆發(fā)；f)形成中子星和超新星遺跡2025/8/15xkong@151Ia超新星爆發(fā)：雙星系統(tǒng)中吸積白矮星的C爆轟Ib、Ic和II型超新星爆發(fā)：大質(zhì)量恒星的核坍縮SN爆發(fā)機(jī)制2025/8/15xkong@1522025/8/15xkong@153Summary

Stars>8-10M

willfuseelementstocreateFecoreCorecollapsesandneutronstarformedBounceofnucleardensityneutronstarinitiatesoutwardshockShockmusthavefurtherenergyinputLikelythiscomesfromneutrinos2025/8/15xkong@154Summary

Neutrinoemissionaccountsfor99%ofthegravitationalpotentialenergyofcollapsingcoreExplosionsarelikelyneutrinodrivenTypicalTypeIISNhaveplateauphaseasshockwavemovesthroughstarThenenter“tail-phase”,luminositysourceiuradioactive56NicreatedexplosivelyinSN2025/8/15xkong@155超新星小結(jié)SpectralTypeIbIcIIIaNoHeliumHeliumNoSiliconSiliconNoHydrogenHydrogenSpectrumPhysicalMechanismNuclearexplosionofWDstarCorecollapseofevolvedmassivestar(mayhavelostitshydrogenorevenheliumenvelopeduringred-giantevolution)LightCurveReproducibleLargevariationsCompactRemnantNoneNeutronstar(typicallyappearsaspulsar)Sometimesblackhole?Rate/h2SNu0.36

0.110.71

0.340.14

0.07ObservedTotal3000asoftoday(nowadays200/year)Neutrinos

100

VisibleenergyInsignificant2025/8/15xkong@156超新星爆發(fā)拋出的大量物質(zhì)在向外膨脹過程中與星際物質(zhì)和磁場相互作用而形成的氣體星云。

強(qiáng)射電輻射和高能輻射源(同步加速輻射，激波加熱)年齡

≤~105yr

形態(tài)分類：殼層型:輻射主要來自纖維狀球形殼層和星際氣體的相互作用實(shí)心型:沒有殼層結(jié)構(gòu)，中央具有致密天體提供能量混合型:輻射來自遺跡整個區(qū)域，并由中心的致密星提供能源超新星遺跡(SupernovaRemnants)2025/8/15xkong@157SupernovaRemnantsSN1987A2025/8/15xkong@158DeepChandraimageshowsCassiopeiaA(CasA),theyoungestsupernovaremnantintheMilkyWay.

2025/8/15xkong@159SN1054蟹狀星云

2025/8/15xkong@160Kepler'ssupernovaremnant(1604)

2025/8/15xkong@161CygnusLoopsupernovaremnant2025/8/15xkong@1622025/8/15xkong@163第三章

恒星的形成與演化恒星形成恒星結(jié)構(gòu)元素合成恒星演化超

新

星密近雙星

2025/8/15xkong@164密近雙星恒星世界中，約一半以上的恒星是雙星兩個子星相距很遠(yuǎn)(如d>1000R/r)，可視為單星相距較近，引力相互作用，有物質(zhì)交換

雙星密近雙星凡一子星影響另一子星演化的物理雙星2025/8/15xkong@165雙星系統(tǒng)雙星系統(tǒng)一詞是由弗里德里希·赫歇爾在1802所創(chuàng)。根據(jù)他的定義，雙星系統(tǒng)是由兩個星體根據(jù)吸引力定律所組成一個系統(tǒng)。物理雙星：一顆恒星圍繞另外一顆恒星運(yùn)動，或者兩者互相圍繞，并且互相有引力作用光學(xué)雙星:看上去靠的很近，實(shí)際上距離很遠(yuǎn)，并且兩顆星之間的重力作用不會對對方產(chǎn)生影響。觀測方式不同分類：通過望遠(yuǎn)鏡可以觀測到的雙星稱為目視雙星；只有通過分析光譜變化才能辨別的雙星稱為分光雙星。一顆恒星圍繞另一顆恒星運(yùn)動，第三顆恒星又繞他們運(yùn)動，這稱為三合星。依此類推，還有四合星等等，這些都稱為聚星。2025/8/15xkong@166ThestarCastor,itwasthefirstbinarydiscovered,byHerschellin17902025/8/15xkong@167BinarystarsystemsaregovernedbyKepler'slaws.Theneachstarexecutesanellipticalorbitsuchthatatanyinstantthetwostarsareonoppositesidesofthecenterofmass.2025/8/15xkong@168mainsequencestar(SiriusA)andwhitedwarfcompanion

2025/8/15xkong@1692025/8/15xkong@170m1r1=m2r2

r1+r2=RModificationofKepler'sThirdLaw(m1+m2)P2=(r1+r2)3=R3

2025/8/15xkong@171洛希瓣－物質(zhì)交換模型：法國數(shù)學(xué)家Roche首先提出計(jì)算密近雙星系統(tǒng)引力勢的模型方法：考慮在兩個互相繞轉(zhuǎn)的天體的引力勢中一個檢驗(yàn)粒子的運(yùn)動基本假設(shè)：子星的幾何結(jié)構(gòu)是球?qū)ΨQ的系統(tǒng)總質(zhì)量和總角動量守恒質(zhì)量交換時，損失質(zhì)量的恒星保持流體靜力學(xué)平衡，獲得質(zhì)量的之星保持熱動平衡2025/8/15xkong@172當(dāng)r>>a時，等勢面是球形，球心在公共質(zhì)心處。當(dāng)r

→r1/r2時，等勢面是球形，球心在子星的質(zhì)心處5個作用力平衡點(diǎn)，1、2、3不穩(wěn)定，4、5穩(wěn)定。1又稱內(nèi)拉格朗日點(diǎn)，2稱外拉格朗日點(diǎn)臨界等勢面：同時包絡(luò)兩顆子星并且相接于其間一點(diǎn)（L1）的等勢面。等勢面：

F(r)=常數(shù)的曲面族2025/8/15xkong@173洛希瓣由臨界等勢面包圍的空間當(dāng)子星充滿洛希瓣后，在內(nèi)拉格朗日附近的物質(zhì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，受到小擾動就會流向伴星，產(chǎn)生物質(zhì)交流2025/8/15xkong@174密近雙星的Kopal分類

根據(jù)雙星中的一顆或兩顆子星是否充滿洛希瓣，可以將雙星分為

不相接雙星(detachedbinaries)：兩顆子星均未充滿洛希瓣，半相接雙星(semidetachedbinaries)：一顆子星充滿洛希瓣，如天琴β，相接雙星(contactbinaries)：兩顆子星均充滿洛希瓣，如大熊W。

2025/8/15xkong@175雙星中的物質(zhì)傳輸星風(fēng)傳輸：不相接、半相接雙星大質(zhì)量恒星在演化過程中通常有強(qiáng)烈的星風(fēng)。

洛希瓣滲溢

：半相接、相接雙星形成吸積盤

2025/8/15xkong@1762025/8/15xkong@177恒星演化理論預(yù)言熱核反應(yīng)是恒星的能源。由于演化，恒星將脫離主序。恒星的主序壽命主要取決于初始質(zhì)量。不同演化階段可觀測的數(shù)目與在該階段演化速度有關(guān)恒星演化觀測檢驗(yàn)

－星團(tuán)由于物理上的原因聚集在一起并受引力作用束縛的一群恒星，其成員星的空間密度顯著高于周圍的星場。星團(tuán)按形態(tài)和成員星的數(shù)量等特征分為兩類：疏散星團(tuán)和球狀星團(tuán)恒星演化的觀測證據(jù)2025/8/15xkong@178H－Rdiagram2025/8/15xkong@17