大质量恒星的演化
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• 观测表明，恒星诞生于分子云中。
天文学基础－恒星
3
星云
很稀薄
空气： 1019 原子 / 立方厘 米 真空： 107 原子 / 立方厘米 星云： 1000 原子 / 立方厘米 星际空间：1 原子 / 立方厘米
由气体和尘埃组成，主要成分是氢
星云本身不发光
天文学基础－恒星
4
UOpprieornSsctoariufosrmasastoiosniarteiognion
• 若星体质量更大，核聚变 以 CNO 循 环 的方式进行。 CNO 循环的反应比较快， 可以产生更多能量，这些 恒星会有一个对流核心和 辐射外壳。
天文学基础－恒星
31
恒星质量越大，主序寿命越短。
天文学基础－恒星
32
小质量星的演化
(1) 初始阶段
• 当核心氢气燃烧殆尽之后，剩下的氦核心便会开始塌缩并 产生热，紧邻核心的氢外壳会被加热而开始有热核反应，
37
小质量恒星的主序后演化总结 M < 2 M ⊙
天文学基础－恒星
38
小质量星的演化
HR图上轨迹
天文学基础－恒星
39
大质量恒星的演化
M >2 M⊙
与小质量恒星演化的主要差别：
● 恒星内部的 H 核燃烧通过 CNO 循环进行，内部温度更高， 辐射压对恒星的力学平衡起更重要的作用，主序寿命更短
● 核反应的能量主要以对流的方式向外传递 ● 可以点燃 C,N,O 等更重的元素核燃烧 ● 最后的演化结局不同
分 子 云 中 小 质 量 恒 星 的 形 成
100K,1012/cm3
106 K,3000K 101学基础1－02恒2/星cm3
7×106K, 4500K 1025/cm3
1.5×107K, 6500K
1026/cm3
14
不同质量恒星的形成
• 小质量恒星(一般以一个太阳质量为界)： – 星云塌缩，原恒星盘，外流，吸积
WD ：White Dwarf，白矮星 NS ：Neutron Star，中子星 BH ：Black Hole， 黑洞
天文学基础－恒星
恒星归宿
46
白矮星和中子星的尺度
天文学基础－恒星
47
天文学基础－恒星
恒 星 演 化 总 结
遗迹质量
48
隔离法
天文学基础－恒星
26
2. 恒星的结构与演化
• 恒星的诞生：
引力坍缩
分子云
恒星
• 恒星的演化：
与自身引力相抗争的过程。
▲ 保持恒星平稳演化的机制：
引力能和内部压力的平衡 (核能)
天文学基础－恒星
27
基本方程组（II）
流体静力学平衡： 引力
能量平衡： 内部产能率
（如：核反应、收缩等）
恒星的诞生、发展和死亡 －II
(1) 恒星诞生 (2) 恒星结构和演化
恒星研究
• 恒星的诞生 ( 很短时间 ) • 恒星的演化 ( 大约90%以上的时间 ) • 恒星的死亡 ( 很短时间 )
天文学基础－恒星
2
( 1 ) 恒星的诞生
• 恒星形成是目前恒星物理的基本问题之一， 也是难点之一。尤其是大质量恒星的形成机 制，仍然有不同的观点。
被抛出外太空，成为行星状星云。
天文学基础－恒星
35
美丽的行星状星云
天文学基础－恒星
36
小质量星的演化
(3) 最后的归宿
• 由于核心热力不足以把碳点燃起来，所以当所有氢和氦 皆告用尽时，恒星便会开始收缩，并变得越来越暗，最 后成为白矮星。这时候，电子简并压力成为了抵抗恒星
进一步塌缩的主要力量。
天文学基础－恒星
猎户座OMC-1区
天文学基础－恒星
5
气体星云
鹰星云
天文学基础－恒星
锥状星云
6
气体星云中形成恒星
• 星际云可以极度庞大和拥有极大质量，直径可达一千 光年，质量相等于十个至一千个太阳质量。
• 在不受干扰的情况下，这些星际云是稳定的。 • 干扰可以来自星系碰撞、盘状星系所产生的密度波、
超新星爆发的激波，甚或在附近诞生的恒星 。
He 燃烧，He 枯竭
He 燃烧，H燃烧
C 燃烧，C 枯竭
C燃烧，He燃烧，H燃烧
O，Ne，Si 燃烧 。。
Fe 核形成
重元素壳层
Fe 燃烧，吸热，核心塌缩 超新星爆发
天文学基础－恒星
42
大质量恒星的演化
内部成分
天文学基础－恒星
43
大质量星的演化
天文学基础－恒星
44
Fe 核燃烧
Fe 核燃烧会吸收热量核心将会塌 缩，以灾变形式结束恒星的一生
• 大质量恒星： – 星云塌缩，吸积盘 – 小质量恒星并合
天文学基础－恒星
15
>7Ms 原恒星盘
BN 天体，Orion 分子云
Nature 2005，437
天文学基础－恒星
16
( 2 ) 恒星结构和演化
基本任务
1. 恒星的能源 2. 主序恒星的质光关系 3. 赫罗图(恒星和星团)
– 恒星集中在几个主要的区域 – 恒星的光谱型(有效温度)与绝对星等相关
天文学基础－恒星
7
原恒星 (年轻恒星,YSO)
• 星际云中轻微的密度变化， 皆会引致星云产生重力收缩， 最后形成一个称为原恒星的 球体。
• 原恒星深埋在气体和尘埃中， 辐射在红外波段。
• 原恒星会有吸积盘和喷流。
天文学基础－恒星
8
观测证据
• 这些喷流不会长久存在 。假若气体和尘埃把新生恒星 完全覆盖，我们便看不到中心的恒星，而只能看到喷
• 氖(Ne)，硅(Si)，镁(Mg) 等燃烧
– 聚合成Fe以内的重元素 – 更重的元素通过超新星爆发合成
天文学基础－恒星
20
恒星内部结构 (以太阳为例)
Core : 核心
Radiative Zone : 辐射区
Convection Zone : 对流层
Corona : 日冕
Chromosphere : 色球
压力
能量损失率 （辐射）
能量的传输：
A. 方式 ：对流、辐射、热传导 B. 不透明度 ：辐射传能的快慢
天文学基础－恒星
28
热核反应：恒星中心
• 原子聚合反应：几个轻原子核聚合为重原子核 的反应。
• 质能方程： E＝mc2
• 质量亏损：聚合反应中损失的质量。 • 热核反应：由热运动引发的核反应。
恒星亦同时膨胀。由于总表面面积的增加，恒星会变得极
之光亮。虽然核心仍保持炽热，但膨胀令表面温度下降， 结果星光变红，最后演化为一颗红巨星。
天文学基础－恒星
33
地球、太阳（现在）和典型红巨星的大小比较
天文学基础－恒星
34
小质量星的演化
(2) 红巨星以后
• 所有红巨星都是变星，当外壳不断膨胀，氦核心同时不断 收缩加热，直至足以燃烧氦 (我们称之为氦闪)为止。由于 这时燃烧氢和氦的过程并不稳定，星体除了会不断脉动外， 更会产生强劲的恒星风把外壳「吹掉」。最后整个外壳会
金斯质量
M J 30
T3 n
M0
n 数密度/cm3
M > MJ 时，分子云碎裂
中性氢云： 1/cm3， T=100 K， MJ~3×104 M0 暗分子云：106/ cm3 ，T=10 K， MJ ～ 1 M0
天文学基础－恒星
12
恒星形成过程示意图
天文学基础－恒星
13
10 K,106/cm3
超新星爆发
天文学基础－恒星
45
恒星的最后归宿
• < 0.08 M⊙ • 0.08 －3.0 M⊙ • 3－8 M⊙ • 8－30 M⊙ • 30－100 M⊙
：H 未燃烧，H白矮星（ WD） ：C 未燃烧，C 白矮星（WD） ：C 爆发燃烧型超新星，爆发，白矮星 ：超新星爆发，留下中子星（NS） ：塌缩成为黑洞
22
米粒与黑子
天文学基础－恒星
日珥
太阳耀斑
23
色球（红色）与日珥
天文学基础－恒星
太阳表面结构
日冕
24
恒星演化模型
• 目的：研究恒星内部各物理量的分布及其随时间 的演化。
• 方法：
简化假设
方程组 物质函数
观测比对
天文学基础－恒星
理论预言
观测 比对
25
基本方程组（I）
简化假设： 球对称结构； 恒星是稳定的；
宇宙中大部分的重元素来自 ▲ 大质量恒星的内部核燃烧 ▲ 超新星爆发瞬时核合成
天文学基础－恒星
40
大质量恒星的主序后演化
M ＝15 M ⊙
天文学基础－恒星
41
大质量恒星的主序后演化 内部物理过程
核心温度(K)
核心
壳层
(1－2)×108 (5－10)×108 > (1－2)×109
H 枯竭
H燃烧开始
恒星内部核燃烧
大质量恒星
天文学基础－恒星
19
恒星的能源：核燃烧
• 氢(H)燃烧 (1.0×107 K ) ： – 主序恒星, 合成元素：He
• 氦(He)燃烧 (1.0×108 K )： – 氢燃烧结束，恒星离开主序, 合成元素：C,N,O
• 碳(C) 燃烧 (5－10)×108 K
• 氧(O) 燃烧 (1－2)×109 K
Prominence: 日珥
Sunspot: 太阳黑子
Photosphere: 光球
天文学基础－恒星
21
太阳表面活动
太 光球 ：米粒、超米粒、黑子、光斑、白光耀斑
阳 色球 ：光斑、谱斑、耀斑、日珥、针状物、
大
冲浪、细链、色球网络等
气 日冕 ：冕洞、冕流、极羽、凝聚区、CME、
太阳风
天文学基础－恒星
天文学基础－恒星
17
1. 恒星的能源：核燃烧
• 热核反应理论解决了恒星能源问题
• 大多数恒星内部的核反应分为两类：
• 质子 — 质子反应链 (Proton-Proton Chains) • 碳氮氧循环(CNO cycle)
• 反应取决于温度 (1.0×107 K以上 )
天文学基础－恒星
18
小质量恒星
流在两边所造成的云团。
天文学基础－恒星
9
恒星形成的观测证据：
– 存在大量大质量、高光度的O、B主序星。它们的寿 命 < 107 yr << 银河系年龄(1010 yr)
– 存在星协，如OB星协，T星协。它们分布在星云内 部或附近。大小30－200pc 。是有年轻恒星组成的。
– 星云年轻恒星的发现，如HH天体。BN天体，KL源 等
天文学基础－恒星
10
原恒星的收缩
• 如果一颗原恒星的质量只是比行星大少 许， 成为昏暗而难以被发现的褐矮星。
• 如果原恒星质量足够大(下限约为0.1个太阳质 量），它的进一步收缩会点燃中心的核聚变， 成为一颗真正的恒星。
• 原恒星的吸积盘最后塌缩成围绕这颗恒星运 行的行星 。
天文学基础－恒星
11
恒星形成的理论基础： 金斯(Jeans)不稳定： 向内的引力 > 气体内部压力（热和湍流）
A. 必要条件：核力作用范围内； B. 速率很小，与温度有关。
天文学基础－恒星
29
决定恒星的演化 的主要因素
• 原恒星质量越小，它 收缩成为恒星的时间 越长。
• 恒星初始质量的大 小决定了恒星在主 序的初始位置和脱 离主序以后的演化 轨迹
天文学基础－恒星
30
决定恒星的演化 的主要因素是恒星质量
• 若恒星质量小于太阳质量 的1.1倍，核聚变以p-p 链 进行，恒星会有辐射核心 和一个对流外壳。
天文学基础－恒星
3
星云
很稀薄
空气： 1019 原子 / 立方厘 米 真空： 107 原子 / 立方厘米 星云： 1000 原子 / 立方厘米 星际空间：1 原子 / 立方厘米
由气体和尘埃组成，主要成分是氢
星云本身不发光
天文学基础－恒星
4
UOpprieornSsctoariufosrmasastoiosniarteiognion
• 若星体质量更大，核聚变 以 CNO 循 环 的方式进行。 CNO 循环的反应比较快， 可以产生更多能量，这些 恒星会有一个对流核心和 辐射外壳。
天文学基础－恒星
31
恒星质量越大，主序寿命越短。
天文学基础－恒星
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小质量星的演化
(1) 初始阶段
• 当核心氢气燃烧殆尽之后，剩下的氦核心便会开始塌缩并 产生热，紧邻核心的氢外壳会被加热而开始有热核反应，
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小质量恒星的主序后演化总结 M < 2 M ⊙
天文学基础－恒星
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小质量星的演化
HR图上轨迹
天文学基础－恒星
39
大质量恒星的演化
M >2 M⊙
与小质量恒星演化的主要差别：
● 恒星内部的 H 核燃烧通过 CNO 循环进行，内部温度更高， 辐射压对恒星的力学平衡起更重要的作用，主序寿命更短
● 核反应的能量主要以对流的方式向外传递 ● 可以点燃 C,N,O 等更重的元素核燃烧 ● 最后的演化结局不同
分 子 云 中 小 质 量 恒 星 的 形 成
100K,1012/cm3
106 K,3000K 101学基础1－02恒2/星cm3
7×106K, 4500K 1025/cm3
1.5×107K, 6500K
1026/cm3
14
不同质量恒星的形成
• 小质量恒星(一般以一个太阳质量为界)： – 星云塌缩，原恒星盘，外流，吸积
WD ：White Dwarf，白矮星 NS ：Neutron Star，中子星 BH ：Black Hole， 黑洞
天文学基础－恒星
恒星归宿
46
白矮星和中子星的尺度
天文学基础－恒星
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天文学基础－恒星
恒 星 演 化 总 结
遗迹质量
48
隔离法
天文学基础－恒星
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2. 恒星的结构与演化
• 恒星的诞生：
引力坍缩
分子云
恒星
• 恒星的演化：
与自身引力相抗争的过程。
▲ 保持恒星平稳演化的机制：
引力能和内部压力的平衡 (核能)
天文学基础－恒星
27
基本方程组（II）
流体静力学平衡： 引力
能量平衡： 内部产能率
（如：核反应、收缩等）
恒星的诞生、发展和死亡 －II
(1) 恒星诞生 (2) 恒星结构和演化
恒星研究
• 恒星的诞生 ( 很短时间 ) • 恒星的演化 ( 大约90%以上的时间 ) • 恒星的死亡 ( 很短时间 )
天文学基础－恒星
2
( 1 ) 恒星的诞生
• 恒星形成是目前恒星物理的基本问题之一， 也是难点之一。尤其是大质量恒星的形成机 制，仍然有不同的观点。
被抛出外太空，成为行星状星云。
天文学基础－恒星
35
美丽的行星状星云
天文学基础－恒星
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小质量星的演化
(3) 最后的归宿
• 由于核心热力不足以把碳点燃起来，所以当所有氢和氦 皆告用尽时，恒星便会开始收缩，并变得越来越暗，最 后成为白矮星。这时候，电子简并压力成为了抵抗恒星
进一步塌缩的主要力量。
天文学基础－恒星
猎户座OMC-1区
天文学基础－恒星
5
气体星云
鹰星云
天文学基础－恒星
锥状星云
6
气体星云中形成恒星
• 星际云可以极度庞大和拥有极大质量，直径可达一千 光年，质量相等于十个至一千个太阳质量。
• 在不受干扰的情况下，这些星际云是稳定的。 • 干扰可以来自星系碰撞、盘状星系所产生的密度波、
超新星爆发的激波，甚或在附近诞生的恒星 。
He 燃烧，He 枯竭
He 燃烧，H燃烧
C 燃烧，C 枯竭
C燃烧，He燃烧，H燃烧
O，Ne，Si 燃烧 。。
Fe 核形成
重元素壳层
Fe 燃烧，吸热，核心塌缩 超新星爆发
天文学基础－恒星
42
大质量恒星的演化
内部成分
天文学基础－恒星
43
大质量星的演化
天文学基础－恒星
44
Fe 核燃烧
Fe 核燃烧会吸收热量核心将会塌 缩，以灾变形式结束恒星的一生
• 大质量恒星： – 星云塌缩，吸积盘 – 小质量恒星并合
天文学基础－恒星
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>7Ms 原恒星盘
BN 天体，Orion 分子云
Nature 2005，437
天文学基础－恒星
16
( 2 ) 恒星结构和演化
基本任务
1. 恒星的能源 2. 主序恒星的质光关系 3. 赫罗图(恒星和星团)
– 恒星集中在几个主要的区域 – 恒星的光谱型(有效温度)与绝对星等相关
天文学基础－恒星
7
原恒星 (年轻恒星,YSO)
• 星际云中轻微的密度变化， 皆会引致星云产生重力收缩， 最后形成一个称为原恒星的 球体。
• 原恒星深埋在气体和尘埃中， 辐射在红外波段。
• 原恒星会有吸积盘和喷流。
天文学基础－恒星
8
观测证据
• 这些喷流不会长久存在 。假若气体和尘埃把新生恒星 完全覆盖，我们便看不到中心的恒星，而只能看到喷
• 氖(Ne)，硅(Si)，镁(Mg) 等燃烧
– 聚合成Fe以内的重元素 – 更重的元素通过超新星爆发合成
天文学基础－恒星
20
恒星内部结构 (以太阳为例)
Core : 核心
Radiative Zone : 辐射区
Convection Zone : 对流层
Corona : 日冕
Chromosphere : 色球
压力
能量损失率 （辐射）
能量的传输：
A. 方式 ：对流、辐射、热传导 B. 不透明度 ：辐射传能的快慢
天文学基础－恒星
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热核反应：恒星中心
• 原子聚合反应：几个轻原子核聚合为重原子核 的反应。
• 质能方程： E＝mc2
• 质量亏损：聚合反应中损失的质量。 • 热核反应：由热运动引发的核反应。
恒星亦同时膨胀。由于总表面面积的增加，恒星会变得极
之光亮。虽然核心仍保持炽热，但膨胀令表面温度下降， 结果星光变红，最后演化为一颗红巨星。
天文学基础－恒星
33
地球、太阳（现在）和典型红巨星的大小比较
天文学基础－恒星
34
小质量星的演化
(2) 红巨星以后
• 所有红巨星都是变星，当外壳不断膨胀，氦核心同时不断 收缩加热，直至足以燃烧氦 (我们称之为氦闪)为止。由于 这时燃烧氢和氦的过程并不稳定，星体除了会不断脉动外， 更会产生强劲的恒星风把外壳「吹掉」。最后整个外壳会
金斯质量
M J 30
T3 n
M0
n 数密度/cm3
M > MJ 时，分子云碎裂
中性氢云： 1/cm3， T=100 K， MJ~3×104 M0 暗分子云：106/ cm3 ，T=10 K， MJ ～ 1 M0
天文学基础－恒星
12
恒星形成过程示意图
天文学基础－恒星
13
10 K,106/cm3
超新星爆发
天文学基础－恒星
45
恒星的最后归宿
• < 0.08 M⊙ • 0.08 －3.0 M⊙ • 3－8 M⊙ • 8－30 M⊙ • 30－100 M⊙
：H 未燃烧，H白矮星（ WD） ：C 未燃烧，C 白矮星（WD） ：C 爆发燃烧型超新星，爆发，白矮星 ：超新星爆发，留下中子星（NS） ：塌缩成为黑洞
22
米粒与黑子
天文学基础－恒星
日珥
太阳耀斑
23
色球（红色）与日珥
天文学基础－恒星
太阳表面结构
日冕
24
恒星演化模型
• 目的：研究恒星内部各物理量的分布及其随时间 的演化。
• 方法：
简化假设
方程组 物质函数
观测比对
天文学基础－恒星
理论预言
观测 比对
25
基本方程组（I）
简化假设： 球对称结构； 恒星是稳定的；
宇宙中大部分的重元素来自 ▲ 大质量恒星的内部核燃烧 ▲ 超新星爆发瞬时核合成
天文学基础－恒星
40
大质量恒星的主序后演化
M ＝15 M ⊙
天文学基础－恒星
41
大质量恒星的主序后演化 内部物理过程
核心温度(K)
核心
壳层
(1－2)×108 (5－10)×108 > (1－2)×109
H 枯竭
H燃烧开始
恒星内部核燃烧
大质量恒星
天文学基础－恒星
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恒星的能源：核燃烧
• 氢(H)燃烧 (1.0×107 K ) ： – 主序恒星, 合成元素：He
• 氦(He)燃烧 (1.0×108 K )： – 氢燃烧结束，恒星离开主序, 合成元素：C,N,O
• 碳(C) 燃烧 (5－10)×108 K
• 氧(O) 燃烧 (1－2)×109 K
Prominence: 日珥
Sunspot: 太阳黑子
Photosphere: 光球
天文学基础－恒星
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太阳表面活动
太 光球 ：米粒、超米粒、黑子、光斑、白光耀斑
阳 色球 ：光斑、谱斑、耀斑、日珥、针状物、
大
冲浪、细链、色球网络等
气 日冕 ：冕洞、冕流、极羽、凝聚区、CME、
太阳风
天文学基础－恒星
天文学基础－恒星
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1. 恒星的能源：核燃烧
• 热核反应理论解决了恒星能源问题
• 大多数恒星内部的核反应分为两类：
• 质子 — 质子反应链 (Proton-Proton Chains) • 碳氮氧循环(CNO cycle)
• 反应取决于温度 (1.0×107 K以上 )
天文学基础－恒星
18
小质量恒星
流在两边所造成的云团。
天文学基础－恒星
9
恒星形成的观测证据：
– 存在大量大质量、高光度的O、B主序星。它们的寿 命 < 107 yr << 银河系年龄(1010 yr)
– 存在星协，如OB星协，T星协。它们分布在星云内 部或附近。大小30－200pc 。是有年轻恒星组成的。
– 星云年轻恒星的发现，如HH天体。BN天体，KL源 等
天文学基础－恒星
10
原恒星的收缩
• 如果一颗原恒星的质量只是比行星大少 许， 成为昏暗而难以被发现的褐矮星。
• 如果原恒星质量足够大(下限约为0.1个太阳质 量），它的进一步收缩会点燃中心的核聚变， 成为一颗真正的恒星。
• 原恒星的吸积盘最后塌缩成围绕这颗恒星运 行的行星 。
天文学基础－恒星
11
恒星形成的理论基础： 金斯(Jeans)不稳定： 向内的引力 > 气体内部压力（热和湍流）
A. 必要条件：核力作用范围内； B. 速率很小，与温度有关。
天文学基础－恒星
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决定恒星的演化 的主要因素
• 原恒星质量越小，它 收缩成为恒星的时间 越长。
• 恒星初始质量的大 小决定了恒星在主 序的初始位置和脱 离主序以后的演化 轨迹
天文学基础－恒星
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决定恒星的演化 的主要因素是恒星质量
• 若恒星质量小于太阳质量 的1.1倍，核聚变以p-p 链 进行，恒星会有辐射核心 和一个对流外壳。