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本课件讲授第五章恒星的起源和演化：以赫罗图为线索，依次展开引力收缩阶段、主星序阶段、红巨星阶段与爆发阶段，说明恒星内部的氢燃烧与氦燃烧、重元素合成，讨论白矮星与钱德拉塞卡极限、新星与超新星爆发及其遗迹，最后归纳恒星质量决定归宿的规律与演化的哲学意义。
第五章恒星的起源和演化
恒星起源和演化学说
引力收缩阶段
5.1引力收缩阶段快收缩阶段：从星云过渡到恒星的阶段。
慢收缩阶段：当内部压力与引力几乎相等时，原恒星处于准流体力学平衡状态，便开始慢收缩过程。
超新星
汇聚引起加热
原星盘Conservation of angularmomentum leads to theformation ofprotostellardisks→birth place ofplanets and moons
原星到恒星Ignition of H→He fusionprocessesStar emergesfrom theenshroudingdust cocoon
恒星形成的证据The Cone NebulaOpticalInfraredYoung, verymassive starSmaller,sunlikestars,probablyformedunder theinfluenceof themassivestar
球体~ 10 to1000 solarmasses;Contracting toform protostarsBokGlobules:
5.2主星序阶段质量越大，光度越大，能量消耗越快，恒星停留于主星序的时间越短
恒星的能力来源In the sun, thishappensprimarilythrough theproton-proton(PP) chainRecall from our discussion of the sun:Stars produce energy by nuclear fusion ofhydrogen into helium.
The CNO CycleIn stars slightlymore massive thanthe sun, a morepowerful energygenerationmechanism than thePP chain takes over:The CNO Cycle.
能量传输Energy generated in the star’s center must be transported tothe surface.Inner layers:RadiativeenergytransportOuter layers (includingphotosphere):ConvectionBubbles of hotgas rising upCool gassinking downGas particlesof solarinteriorγ-rays
恒星结构Temperature, density andpressure decreasingEnergygeneration vianuclear fusionEnergy transportvia radiationEnergy transportvia convectionFlow of energyBasically the samestructure for all starswithapprox.1 solarmass or less.Sun
流体静力学平衡Imagine a star’s interiorcomposed of individualshells.Within each shell, two forceshave to be in equilibrium witheach other:Outward pressurefrom the interiorGravity, i.e. theweight from alllayers above
Outward pressure forcemustexactly balancetheweight of all layers aboveeverywhere in the star.This conditionuniquelydetermines the interiorstructure of the star.This is why we find stable starson such a narrow strip(MainSequence)in the Hertzsprung-Russell diagram.
能量传输结构
主序星膨胀成红巨星
5.3红巨星阶段恒星离开主星序阶段，开始向红巨星演化，质量特别大的恒星则向红超巨星演化。
大部分脉动变星都是处于红巨星演化后期的恒星。
红巨星演化4 H→ HeHeH-burning shell keepsdumping He onto thecore.He-core gets denser andhotter until the next stageof nuclear burning canbegin in the core:He fusion throughthe“Triple-AlphaProcess”4He +4He→8Be +γ8Be +4He→12C +γ
氦聚合When pressure and temperaturein the He core become highenough,He nuclei can fuse to buildheavier elements:
Inactive HeC, O红巨星演化(5M⊙）
聚合成更重的元素Fusion into heavier elementsthan C, O:requires very hightemperatures; occurs only invery massive stars (more than8 solar masses).
The Life“Clock”of a Massive Star(> 8 Msun)Let’s compress a massive star’s life into one day…121234567891011121234567891011Life on the Main Sequence+ Expansion to Red Giant:22 h,24 min.H burningH→HeH→HeHe→C, OHe burning:(Red Giant Phase)1h, 35 min, 53 s
H→HeHe→C, OC→Ne, Na, Mg, ONe→O, MgH→HeHe→C, OC→Ne, Na, Mg, O121234567891011C burning:6.99 sNe burning:6 ms23:59:59.996
H→HeHe→C, OC→Ne, Na, Mg, ONe→O, MgO burning:3.97 ms23:59:59.99997O→Si, S, PH→HeHe→C, OC→Ne, Na, Mg, ONe→O, MgSi burning:0.03 msThe final 0.03msec!!O→Si, S, PSi→Fe, Co, Ni
后主序星演化的终结M > 8 MsunM < 4 MsunEvolution of 4-8Msunstarsis stilluncertain.Fusion stopsat formationof C,O core.Mass loss instellar windsmay reducethem all to <4Msunstars.Red dwarfs:He burningnever ignitesM < 0.4 MsunSupernovaFusionproceeds;formation ofFe core.
5.4爆发阶段有行星状星云的核心爆发，新星爆发和超新星爆发。
http://v.ku6.com/show/_sPbiIdn6fBiiOhu.html
当恒星中得所有核燃料用完后,重力会战胜压力，恒星死亡。
大质量恒星会在一个巨大的爆炸中死去——产生超新星。
稍小点质量恒星会死在一个不那么引人注目的事件,称为一个新星恒星生命的终结
红矮星Stars with lessthan ~ 0.4 solarmasses arecompletelyconvective.→Hydrogen and helium remain well mixed throughoutthe entire star.→No phase of shell“burning”with expansion to giant.Star not hot enough to ignite He burning.Mass
类太阳恒星Sunlike stars (~0.4–4 solarmasses) developa helium core.→Expansion to red giant during H burning shell phase→Ignition of He burning in the He core→Formation of a degenerate C,O coreMass
质量损失和星风Stars like our sun are constantly losing mass in a stellarwind (→solar wind).The more massive the star, the stronger its stellar wind.Far-infraredWR 124
类太阳恒星的遗迹-白矮星类太阳恒星建立一个碳-氧(C、O)的核心,它并不点燃碳聚变。
氦燃烧壳不断倾销C和O到核心。
C、O核心坍缩和物质堕向核心。
→形成白矮星
白矮星残留物(C、O核心)密度超高:1汤匙白矮星: mass≈16 tons!!!White Dwarfs:Mass ~ MsunTemp. ~ 25,000 KLuminosity ~ 0.01 Lsun沙滩球大小的WD物质将超过一个远洋班轮!白矮星密度高达1,000,000 g/cm3（地球密度为5.5g/cm3）
Low luminosity; high temperature => White dwarfsare found in the lower left corner of theHertzsprung-Russell diagram.
钱德拉塞卡极限白矮星得质量越大其体积越小。
压力变大,直到电子简并压力再也无法对抗重力。
WDs with more than~ 1.4 solar massescan not exist!
质量在双星中的转移在一个双星系统,每个恒星星控制一个有限的空间区域,洛西瓣（洛西表面）物质可以从一个恒球到另一个通过内心的拉格朗日点L1流到另一颗恒星。
Lagrange points = points ofstability, where matter canremain without being pulledtowards one of the stars.
循环的恒星演化双星系统中物质的转移可以显著改变了恒星的质量并影响他们的恒星演化。
双星系统中的白矮星白矮星从同伴中吸积物质Binary consisting of WD + MS or Red Giant star角动量守恒=> accreted matter forms a disk, calledaccretion disk.吸积盘中的物质可以被加热到~ 1 million K => X-rayemission =>“X-ray binary”.T ~ 106KX-rayemission吸积盘
新星爆炸Nova Cygni 1975通过吸积盘吸到的氢附著WD表面⇒非常热,致密层的非熔化氢在WD表面⇒爆炸出现H融合⇒新星爆炸
新星遗迹在许多情况下,一颗新星爆炸后，质量重新转移。
→周期的重复每隔几年,几十年的爆炸。
T PyxidisR Aquarii
太阳的命运和地球的终结
大质量恒星的死亡-超新星Final stages of fusion in high-mass stars (> 8Msun), leading tothe formation of an iron core,happen extremely rapidly: Siburning lasts only for ~ 1 day.Iron core ultimatelycollapses, triggering anexplosion that destroys thestar:A Supernova
超新星观测Supernovae can easily be seen in distant galaxies.
I、II超新星Core collapse of a massive star:Type II SupernovaIf an accreting White Dwarf exceeds theChandrasekhar mass limit, it collapses,triggering a Type Ia Supernova.Type I: No hydrogen lines in the spectrumType II: Hydrogen lines in the spectrum
超新星遗迹The Cygnus LoopThe Veil NebulaThe Crab Nebula:Remnant of asupernova observedin a.d. 1054Cassiopeia AOpticalX-rays
同步加速器辐射和宇宙射线加速度超新星残骸的冲击加速质子和电子,极高的,相对论能量。
→“Cosmic Rays”在磁场,这些相对论性电子发射宇宙射线同步加速器辐射
著名超新星of1987:SN 1987ABeforeAt maximumUnusual type II Supernova in the LargeMagellanic Cloud in Feb. 1987
SN 1987A遗迹Ring due to SN ejecta catching up with pre-SNstellar wind; also observable in X-rays.
局部超新星和地球生命Nearby supernovae (< 50 light years) could kill many life forms onEarth through gamma radiation and high-energy particles.At this time, no star capableof producing a supernova is <50lyaway.Most massive star known(~ 100 solar masses) is ~25,000lyfrom Earth.
5.5恒星的归宿------白矮星、中子星和黑洞①白矮星白矮星的体积只有地球这么大，不过它的质量却和太阳差不多，因此它的密度大的惊人，质量和太阳类似的恒星，在进入红巨星阶段后，内核会逐渐收缩，成为白矮星，而外壳在强烈的辐射作用下会继续向外膨胀，成为行星状星云。
光度低，表面温度较高，呈白色。
质量0.2~1.1m⊙，质量极限1.44m⊙，温度5500~40000K。
②中子星，中子星的体积比白矮星还要小的多，直径只有几十公里，而质量却比两个太阳还大。
质量极限2~3m⊙，半径10~20km。
表面密度109kg/m3，中心1018kg/m3。
③黑洞，质量再大一点的恒星，在经过超新星爆发后，核心区域则可能会形成一个黑洞。
著名物理学家惠勒（John Wheeler）提出。
小结0.88M⊙至1.4M⊙的恒星的演化3M⊙以上的恒星的演化
一、新陈代谢是恒星演化的基本规律二、吸引与排斥的对立统一是恒星演化的动力三、质量互变是恒星演化的主要规律5.6恒星起源与演化中的哲学思想
首先，恒星的演化是有生有灭的。
生是指宙中的物质从一种形态转化为另一种物质形态。
灭是指恒星从这种物质形态再转化成其他物质形态的过程。
其次，恒星的演化又是有灭有生的。
就是指物质从新的弥漫物质或恒星的残骸这种物质形态，再转化成为另一种物质形态，既新一代恒星的过程。
再次，恒星的演化又是无限循环的。
需要指出的是，这种循环不是简单的重复，因为新一代恒星与上一代恒星在化学组成上是有区别的。
在重复上一代恒星的某些因素时又加进了许多新内容，是一个否定之否定的过程。
5.6.1新陈代谢是恒星演化的基本规律
5.6.2吸引与排斥的对立统一是恒星演化的动力吸引是指恒星各部分之间万有引力的作用，使恒星收缩。
排斥是指微观离子的热运动所产生的气体压力和恒星内部的电磁辐射所产生的辐射压力，使恒星膨胀。
恒星的幼年期：引力收缩阶段，分快收缩和慢收缩两个阶段。
恒星的主星序阶段：引力和斥力势均力敌。
恒星的主星序以后阶段：引力占据主导地位，经过一系列反复的膨胀，收缩过程，恒星最终走向死亡。
5.6.3质量互变是恒星演化的主要规律1.星云的质量小于金斯质量，星云不能转化为原恒星，不能引起质变。
2.星体的质量小于0.88M⊙，其内部的温度和密度将不足以开动氢氦聚变反应，星体只能靠引力收缩而发光。
这种星体不经过主星序阶段，直接从红矮星转化为黑矮星并引起质变。
3恒星爆发后剩下的质量M决定着它的最终去向：0.88M⊙≤M<1.44M⊙→白矮星1.44M⊙≤M<3M⊙→中子星3M⊙≤M<70M⊙→黑洞END
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