恒星的形成、结构及元素合成及Fe重元素
恒星的诞生和结构演化
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 )
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恒星的能源：核燃烧
氢(H)燃烧 (1.0×107 K ) ： Z主序恒星, 合成元素：He
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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。
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小质量恒星的主序后演化总结 M < 2 M ⊙
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小质量星的演化
HR图上轨迹 注意：这里不 是均匀时间坐 标，主序上只 有一点，但是 停留的时间非 常长
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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」。最后整个外壳会被抛出外太空，成为
行星状星云。
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美丽的行星状星云
基本方程组（II）
♦ 流体静力学平衡：
引力
压力
♦ 能量平衡：
内部产能率
能量损失率
（如：核反应、引力收缩等） （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
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5，恒星的质量和演化
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天文学中的恒星结构与演化
天文学中的恒星结构与演化恒星一直是天文学中的研究的重点之一，因为它们是构成宇宙的重要组成部分。
对于恒星结构与演化的研究，在我们理解宇宙的基本运作方式方面发挥了关键作用。
在本文中，我们将探讨恒星的结构和演化的一些关键方面。
一、恒星的结构恒星的外层是由等离子体组成的，这种等离子体被称为氢原子。
恒星内部主要由氢和氦，这些元素的物理学和化学性质是使恒星能够产生可观测且持续辐射的基础。
在中央区域，温度和压力非常高，可以使氢核融合成氦。
这个反应会释放大量的能量，这种能量被用来维持恒星内部的稳定状态。
同时，由于氢融合所释放的能量在外部释放，因此恒星的温度将是一个随半径逐渐增加的函数。
同时，值得注意的是，一个恒星的内部结构也取决于恒星的质量。
质量更大的恒星会有更高的温度和密度，这可能导致更多的能量产生。
也就是说，一个中等质量的恒星将是由核心、辐射区、和对流区组成的结构体；而一个超级巨星将拥有更复杂的结构。
二、恒星演化有许多类型的恒星演化。
例如，较小的恒星（低于约1.5太阳质量）会随着氢融合量的降低而逐渐变暗，最终形成一个白矮星。
而更大的恒星（大约从1.5太阳质量到3太阳质量之间）可以成为一个新星：当这些恒星内部产生铁核时，核心失去支撑而崩塌，从而产生大规模的能量释放，整个恒星就会变亮。
接下来是一个大规模的爆炸，它将剩余物质逐渐释放到周围。
当这个过程完成后，恒星将形成一个非常稳定的天体。
然而，更大的恒星则可能形成一个黑洞，它产生的引力是如此强大，以至于它最终成为无法被看到的东西。
总之，恒星的结构与演化对于我们理解整个宇宙的基本运作方式是至关重要的。
在未来的研究中，我们将继续努力探索恒星的本质，并扩展我们对宇宙的理解。
恒星的形成、结构及元素合成ppt课件
星云不稳定的极限质量称为金斯 (Jeans)质量：
James Jeans 1877 - 1946
2019/5/5
xkong@
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金斯（Jeans）不稳定性
中性氢云：n ~1cm-3, T ~100K→MJ~3×104 M⊙
暗分子云：n ~106 cm-3, T ~10 K → MJ~1 M⊙
2019/5/5
xkong@
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How do stars form? What factors determine the masses, luminosities, and distribution of stars in our Galaxy? What determines which interstellar clouds collapse?
不同类型的恒星
规模较小的星云形成一个孤立的恒星, 大的星云由于密度不均匀,其中有几个质量中心,因而形 成双星、聚星或星团。 质量非常小的星云,不能收缩成为恒星
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金斯（Jeans）不稳定性
由万有引力产生的一种不稳定性， 因金斯在20世纪初最先研究而得 名 对于一个如星云的自引力体系， 当星云的质量足够高时，(向内的) 引力超过由热运动和湍动产生的 (向外的)压力，将引起星云的收 缩
Jeans质量判据给出了非相对论、无磁场星云 坍缩的必要条件(并不是所有的星云都可以形成恒星)
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xkong@
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其它影响恒星形成的因素：
能量的有效辐射
辐射压将反抗引 力,阻碍星云塌缩
星系潮汐力影响tation—that is, spin—can also compete with gravity's inward pull
恒星的形成和演化
恒星的形成和演化恒星是宇宙中最神秘而又庞大的存在之一。
它们以其巨大的质量和强大的辐射能量而闻名于世。
然而，恒星的形成与演化是一个相对较长的过程，经历了多个阶段。
本文将系统地讨论恒星的形成和演化。
一、恒星的形成恒星的形成起源于巨大的尘埃和气体云，也被称为分子云。
分子云由气体和尘埃组成，这些物质在宇宙中广泛分布。
当分子云的一部分被扰动或受到外部因素的影响时，它就开始逐渐崩塌。
崩塌过程中，分子云开始旋转并逐渐形成一个密集的核心区域，被称为原恒星核（Protostellar core）。
原恒星核逐渐吸引附近的物质，并通过引力作用使得核心区域逐渐收缩。
核心的收缩使温度和密度急剧增加，核心内部的压力也随之增大。
当核心的温度和压力达到一定程度时，核心内部的氢核聚变反应启动，原恒星核开始成为真正的恒星。
二、恒星的主序阶段恒星进入主序阶段后，核心的氢聚变反应成为维持恒星的主要能源。
在这个阶段，核心内的氢不断转变为氦，并产生巨大的能量。
这些能量通过核反应过程中释放的光和热辐射到外部空间。
恒星的主序阶段持续时间很长，通常可以达到数十亿年。
在这个阶段，恒星的质量和光度与其寿命密切相关。
质量较小的恒星寿命较长，而质量较大的恒星寿命较短。
三、恒星的演化阶段当恒星的核心耗尽氢燃料时，核心会发生新的变化。
在核心内部的压力不再足以抵抗引力的作用时，核心开始收缩。
随着核心的收缩，外层的气体开始膨胀，形成了红巨星。
红巨星是一个巨大的、相对较冷的恒星，其尺寸可能会达到原来的数百倍。
在红巨星的外层，氢继续聚变形成氦，并释放出巨大的能量。
红巨星的寿命相对较短，通常只能持续几百万年。
在红巨星的末期，它的外层开始逐渐膨胀并形成行星状星云。
行星状星云是一种美丽的天体结构，由恒星自身的物质组成。
最终，红巨星将耗尽所有的燃料，并释放出巨大的能量和物质，形成一个致密且稳定的天体，被称为白矮星。
四、恒星的死亡白矮星是恒星演化的最后阶段之一。
白矮星非常稳定，其内部的核反应已经停止。
恒星的形成
星云假说主张行星系从一巨大的有几光年跨度的分子云的碎片引力塌陷的过程中形成。
几十年前，传统观点还是认为太阳是在相对孤立中形成的，但对古陨石的研究发现短暂的同位素（如铁-60）的踪迹，该元素只能在爆炸及寿命较短的恒星中形成。
这显示在恒星形成的过程中，有很大可能性，附近发生了若干次超新星爆发。
其中一颗超新星的冲击波可能在分子云中造成了超密度区域，导致了这个区域塌陷，从而触发了恒星的形成。
因为角动量守恒，星云塌陷时转动加快。
随着星云浓缩，其中的原子相互碰撞频率增高，把它们的动能转化成热能。
其质量集中的中心越来越比周边环绕的盘热。
大约经过100,000年，在引力、气体压力、磁场力和转动惯量的相互竞争下，收缩的星云扁平化成了一个直径约200AU的原行星盘，并在中心形成一个热致密的原恒星（内部氢聚变尚未开始的恒星）。
计算模拟显示，太阳从主序前星演化到主序带需要大约3000万年，而这颗恒星的质量比太阳小，气体云的收缩不如太阳剧烈，分子碰撞速率的增加比较缓慢，因此所花费的时间还要长，大约为4500万年至5500万年。
图为2800万年时的情况，此时的恒星温度还很低当演化进行到5000万年左右时，恒星周围的尘埃已经变得非常稀薄，恒星发出的辐射比以前强得多，星风即将吹散周围剩下的弥漫气体。
5370万年后，这颗恒星正式进入了主序阶段。
虽然是一颗橙色的恒星，温度相对比较低，但因为有游离的金属、钙谱线及部份的金属谱线，氢原子的谱线更为微弱，因此天文学分类上把它归为G型星。
半径为太阳的73%，质量为太阳的77%，发光强度则不到太阳的一半。
行星系里诸多行星均被认为成形于一片类似的“太阳星云”，而太阳星云是太阳形成中剩下的气体和尘埃形成的圆盘状云。
目前被接受的行星形成假说称为吸积，在这里行星从绕原恒星的轨道上的尘埃颗粒开始形成。
通过直接收缩，这些颗粒形成一到十公里直径的块状物, 然后它们互相碰撞形成更大的尺寸约5公里的天体（微行星）。
恒星的结构与演化
恒星的结构与演化
恒星是宇宙中最基本的天体，它由氢、氦等元素的气体组成，也
有重元素的存在。
恒星的结构与演化是指恒星在其生命周期中所经历
的各个阶段。
恒星的结构主要由核心、辐射区和对流区组成。
核心是恒星的中
心部分，其中的高温和高密度条件下发生核聚变反应，将氢核融合成
氦核，并释放出巨大的能量。
辐射区是从核心向外层传输能量的区域，通过光子传导的方式将能量传递给上层的对流区。
对流区是一个具有
循环运动的气流区域，能够将能量从辐射区传递到恒星的外层。
恒星的演化通常分为主序星、红巨星和白矮星等阶段。
主序星是
恒星在其生命周期的大部分时间都处于的阶段，它能够通过核聚变反
应维持自己的稳定状态。
当主序星的核心的氢燃料消耗殆尽时，它会
逐渐膨胀成红巨星。
红巨星的体积比主序星大得多，温度相对较低，
但是能量释放更为剧烈。
红巨星的外层大气层会逐渐膨胀，形成一个
气体外壳，最终会将外层的气体释放到太空中。
当红巨星的外层气体被释放后，剩下的核心会逐渐收缩成一个小
而密集的天体，这被称为白矮星。
白矮星的体积非常小，但是质量很大。
由于没有核反应提供能量支持，白矮星的温度会逐渐降低，最终
它会变得非常冷，成为一个黑矮星。
总之，恒星的结构与演化是一个由核聚变反应驱动的过程。
恒星
从形成到寿终，经历了主序星、红巨星和白矮星等不同的阶段。
这个
过程是宇宙中恒星演化的基础，也为我们理解宇宙的起源和演化提供
了重要的线索。
宇宙恒星的形成与结构
宇宙恒星的形成与结构宇宙是一个充满神秘和奇迹的地方，其中的恒星是宇宙中最为璀璨的存在之一。
恒星的形成与结构是天文学研究的重要课题之一，也是我们了解宇宙起源和演化的关键。
恒星的形成始于巨大的气体云团，这些云团主要由氢和一小部分的氦组成。
当云团中的某一部分密度较高时，该区域的引力开始占据主导地位。
随着引力的作用，云团中的气体逐渐聚集在一起，形成一个更加密集的区域，即原恒星形成区。
在原恒星形成区，气体的密度逐渐增加，温度也随之升高。
当温度达到一定程度时，氢原子核开始发生聚变反应，将氢原子核融合成氦原子核，释放出巨大的能量。
这一过程称为核聚变，是恒星能量的源泉。
随着核聚变的进行，恒星的质量逐渐增加，同时释放出大量的光和热能。
这些能量使得恒星内部温度升高，形成了一个炽热的核心区域，称为恒星核。
恒星核中的温度可以达到数百万度甚至更高，这种高温环境使得核聚变反应能够持续进行。
恒星的结构主要分为核心、辐射区和对流区三个部分。
核心是恒星最内部的区域，是核聚变反应的主要场所。
核心的温度和密度非常高，能够维持核聚变反应的进行。
辐射区位于核心的外部，能量通过辐射的形式传输到辐射区。
对流区位于辐射区的外部，能量通过对流的方式传输。
恒星的外部结构主要由恒星大气层组成，包括光球、色球和日冕。
光球是恒星大气层的最外层，也是我们能够观测到的最亮的部分。
光球的温度和密度较高，能够发出可见光。
色球位于光球的下方，温度和密度较低，能够发出较强的紫外线。
日冕是恒星大气层的最内层，温度非常高，能够发出强烈的X射线和高能粒子。
恒星的结构和演化与其质量有着密切的关系。
质量较小的恒星，如红矮星，其核心温度较低，核聚变反应较为缓慢，能量产生较少。
质量较大的恒星，如超巨星，其核心温度非常高，核聚变反应非常剧烈，能量产生非常丰富。
恒星的质量还决定了其寿命的长短，质量较小的恒星寿命较长，而质量较大的恒星寿命较短。
在恒星寿命的末期，恒星的核燃料逐渐耗尽，核聚变反应逐渐减弱。
恒星的形成和演化
恒星的形成和演化宇宙中的恒星是宇宙的基本构建单位。
恒星的性质和演化对宇宙的认识和理解有着重要的作用。
本文将介绍恒星的形成和演化。
一、恒星的形成恒星的形成一般认为是由分子云塌缩引起的。
分子云是宇宙中的大气层，由气体和尘埃组成。
当分子云某一部分中心的质量达到一定程度时，就会发生自重坍塌，形成一个致密的原恒星核。
原恒星核的形成需要满足一个条件，这就是分子云被压缩的程度甚至超过了气体的热膨胀能力，从而使分子云的内部温度、密度升高到足以进行核反应的程度。
原恒星核的形成以后，恒星会经历两个结构演化过程。
第一个是过渡阶段，即原恒星核被辐射所压抑，钱两土成为原恒星核主要稳定力源。
第二个是雏鸟星期，当中心温度达到两百万度左右，核反应开始，伴随着较强的大气膨胀，恒星主序阶段的演化就开始了。
二、恒星的演化恒星的演化依据质量大小的不同，可以分为低质量恒星、中等质量恒星和高质量恒星。
1.低质量恒星的演化低质量恒星的主序阶段历时最长，达数百亿年。
它的内部温度、密度仅能维持氢核融合反应。
它的颜色从暗红色到蓝色的光芒依次亮起，同时光度增加；在所处阶段尾，核心中的氢全部耗尽，离心膨胀并逐渐不稳定，形成红巨星，并抛离外壳形成行星状星云，最终核心残留瘦弱的白矮星。
2.中等质量恒星的演化中等质量恒星的主序阶段相对较短，仅有几十亿年，内部特点同低质量恒星。
中等质量恒星的离心膨胀较小，直接进入了演化的最复杂阶段；核心中的碳、氮、氧与氢互相结合，产生了二次的核反应，形成了热、核稳定的橙红巨星，光度远高于主序期的恒星。
核心中所剩的元素最终形成氧、氖、硅等轻元素。
橙红巨星的不稳定性最后抛射下散光裹恒星，成为行星状星云，而星云中心形成致密的核心，成为中白矮星，表面温度约7,000℃。
3.高质量恒星的演化高质量恒星的生命周期短，仅有数百万年。
高质量恒星的主序阶段位于色谱带上，其内部温度升高，能够维持碳、氧、氖等轻元素的核反应。
但同时也有核反应消耗材料和释放热量的效应，导致温度更高、内部压力更高，同时光度也更高。
恒星一生经历的演化
恒星一生经历的演化恒星是宇宙中最常见的天体之一，它们存在于各种大小和形状的星系中。
恒星的演化是十分有趣的领域，因为它可以协助人类更好地了解宇宙的历史以及更多的恒星现象。
恒星从形成到死亡经历了一系列复杂的变化。
它们的演化过程可以通过各种手段来研究，例如天体物理学、光谱学、星际化学、计算机模拟等。
下面我们将从恒星的形成开始，简单介绍一下恒星一生经历的演化。
恒星的形成恒星的形成是通过分子云的重力塌缩开始的。
分子云中的气体和尘埃被引力引导向中心，而更大和密集的团块形成了原恒星周围的原始环或盘。
原始盘继续塌缩和旋转，在其中形成了恒星的结构。
在这个阶段，原星团模型是最流行的模型之一。
恒星形成过程中的母体质量几乎全部流失，并在幼年时期通过吸积周围的物质来增加质量。
主序星当恒星的中心密度足够高时，核心内温度会升高至足以点燃氢聚变核反应，创建了一种放射能源的反应。
此时，恒星成为主序星，这是一种稳定的状态，可以持续数千亿年。
主序星的大小、亮度、温度和色谱类型取决于它的质量。
在主序阶段，恒星的演化主要是由核合成和质量减少两个过程决定的。
核合成的过程会将氢和其他轻元素融合成重元素，释放出大量的热和光能。
质量减少的过程则是通过核聚变过程中氢的消耗造成的。
当恒星从主序星进入后期时，核心内的氢将耗尽，恒星将进入更多的阶段。
红巨星当恒星的核心内只剩下一小部分氢时，核心会逐渐膨胀并变得更热，引发了更多的核反应，从而将恒星变成更大和更亮的红巨星。
在红巨星阶段，氢的外层逐渐膨胀并稀释，最终变得太稀薄而不能维持核反应的能量平衡。
此时恒星会向外吹出自己表面的大量物质形成行星状星云，这类星云大多有强烈的红外线辐射。
行星状星云具有各种形状，例如圆盘，勺形，蝴蝶型等，是宇宙中最美丽的天体之一。
白矮星当红巨星的所有燃料都被消耗殆尽时，核心内将不再有足够的能量平衡引力的作用，这样核心就会崩溃成一颗高密度，高温度的物质，形成了一颗白矮星。
白矮星的大小只有原来的一半左右，但密度却达到了原来的10万倍以上。
恒星的形成和演化
恒星的形成和演化恒星是宇宙中最常见的天体之一，它们以其独特的形成和演化过程吸引了天文学家们的广泛关注。
本文将介绍恒星的形成和演化，以及相关的科学理论和观测证据。
一、恒星形成恒星的形成始于巨大的星际云，这些云由气体和尘埃组成。
这些云层庞大而稳定，但当某些因素引起扰动时，云会开始坍缩。
这个过程由引力主导，云的尘埃和气体开始聚集在一起形成更加密集的核心。
随着坍缩的进行，核心温度逐渐升高，气体压力也增加。
当核心达到足够高的温度和密度时，核聚变反应开始发生。
核聚变是恒星内部的核心反应，将氢聚变为氦，并释放出巨大的能量。
这是恒星形成的关键阶段。
二、恒星的演化1. 主序阶段恒星进入主序阶段后，它们将通过核聚变反应维持自身的稳定状态。
主序阶段的恒星以稳定的核聚变过程将氢转化为氦，并释放出能量。
这一过程持续数十亿年，恒星的亮度和温度取决于其质量。
质量较小的恒星会在主序阶段存在更长的时间。
2. 巨星阶段当恒星核心的氢被逐渐耗尽时，核聚变反应变得不稳定。
这意味着核心无法继续维持恒星的稳定状态，外层的气体开始膨胀。
恒星膨胀并变成红色巨星或超巨星，这是巨星阶段。
在这个阶段，恒星外层的膨胀使其亮度增加，但表面温度降低，呈现红色。
巨星的寿命相对较短，通常只有数百万到数十亿年的时间。
3. 恒星死亡当恒星的核心耗尽了可燃烧的氢和其他核燃料时，它们将进入末期阶段，即死亡阶段。
在这个阶段，恒星的演化取决于其质量。
对于质量较小的恒星，核心坍缩成为一颗致密的白矮星。
白矮星不再进行核聚变，因此逐渐冷却直至灭亡。
对于质量较大的恒星，核心坍缩时会释放出巨大的能量，引发超新星爆炸。
超新星爆炸将恒星外层物质抛射至周围的空间，形成新的星际云。
在某些情况下，超新星爆炸之后的残骸核心会坍缩成为黑洞或中子星，它们标志着恒星的最终演化阶段。
结论恒星的形成和演化是一个充满了奇妙过程的过程。
通过观测和理论建模，天文学家们逐渐揭示了这一宇宙中最重要的天体的奥秘。
恒星的形成与演化
恒星的形成与演化恒星是宇宙中最为璀璨的存在之一，它们的形成和演化过程是宇宙学研究的重要课题之一。
在广阔的宇宙空间中，恒星通过一系列复杂的物理和化学过程形成，并在其演化过程中经历各种阶段，展现了宇宙的壮丽景象。
一、分子云的塌缩：恒星诞生的开始恒星的形成始于分子云的塌缩。
分子云是由气体和尘埃组成的巨大云团，其中包含着丰富的氢、氦以及其他重元素。
当分子云中的某些区域受到外部的扰动或引力作用时，云团内部的气体开始塌缩。
随着气体的塌缩，温度和压力逐渐升高，这使得云团的中心区域形成了一个密度更高、温度更高的核心。
二、原恒星的形成：引力坍缩和核聚变当分子云塌缩到一定程度时，云团内的气体形成了非常高温高密度的球状区域，这就是原恒星的形成阶段。
在这个阶段，原恒星内部的气体受到引力压缩，导致温度和压力进一步增加。
当温度达到约100万摄氏度时，原恒星内部的氢核开始发生核聚变反应，将氢转化为氦，并释放出巨大的能量。
三、主序星的演化：平衡的状态在核聚变反应的过程中，恒星变得非常明亮，释放出大量的能量。
这些能量通过光和热的形式传播到外部空间，使得恒星表面亮度增加。
当恒星内部的氢耗尽时，恒星开始进入主序星阶段的演化。
在主序星阶段，恒星的核聚变反应保持平衡，恒星的表面温度和亮度基本稳定，短时间内不会发生明显的变化。
四、红巨星的演化：燃尽氢和球壳燃烧当恒星核心的氢被完全耗尽时，恒星进入红巨星阶段。
在这个阶段，恒星内部的压力和温度变化导致氦开始发生核聚变反应，形成了一个更加稳定的核心。
在红巨星的外层，氢燃烧产生的热量逐渐扩散到外部区域，使得恒星外层膨胀，表面温度下降，呈现出红色的外观。
五、超新星爆发：恒星终结的壮丽绝唱当红巨星核心内部的氦耗尽时，核心又会因引力而崩溃，进一步产生更高温高密度的环境。
在这个阶段，核心内的碳、氧等重元素开始发生核聚变，释放出更多的能量。
这就是超新星爆发的过程，恒星以极高的能量释放出巨大的光辐射和喷射物质，形成了一个前所未有的光芒。
天体物理学：恒星的结构与演化
天体物理学：恒星的结构与演化恒星是宇宙中最为常见的天体之一，其研究不仅对于理解宇宙的演化过程和探索宇宙的奥秘具有重要意义，而且对于太阳系中行星、卫星的形成以及地球上生命的产生也有着深远的影响。
本文将介绍恒星的结构与演化过程，以及相关的研究进展。
一、恒星的结构恒星是由气体组成的，其内部存在着巨大的温度和压力。
恒星的结构可以分为核心、辐射层和对流层三个部分。
1. 核心恒星的核心是由极高温和高密度的物质组成的，核心是恒星能量产生的主要地区。
核心的温度和压力足以使氢原子核发生核融合反应，将氢转化为氦。
这个过程产生了巨大的能量，即恒星内的核聚变反应，是恒星维持亮度和稳定状态的源泉。
2. 辐射层核心外部是辐射层，主要由气体和辐射能量组成。
在辐射层，能量通过辐射的方式传输，辐射层的密度和温度逐渐下降。
辐射层的厚度取决于恒星的质量和半径，对于不同的恒星类型而言，辐射层的性质有所不同。
3. 对流层在辐射层的外部是对流层，对流层以循环流动的方式传递热能。
热量在对流层内部通过对流的方式向外传输，形成了类似于水壶内沸腾的流动。
对流层的温度和密度比辐射层要低，恒星的表面就位于对流层顶部。
二、恒星的演化恒星的演化是指从恒星形成到死亡的全过程，可以分为主序阶段、红巨星阶段和超新星阶段等不同的时期。
1. 主序阶段当恒星形成后，它会进入主序阶段。
主序阶段是恒星演化中最长的阶段，恒星通过核聚变反应将氢转化为氦，同时释放出巨大的能量。
主序阶段的持续时间取决于恒星的质量，质量较大的恒星能够维持较长时间的主序阶段。
2. 红巨星阶段当恒星的核心中的氢燃料消耗殆尽时，核心会经历收缩和加热的过程，外层氢开始燃烧，同时核心中的氦开始聚变形成更重的元素。
在这个过程中，恒星会膨胀成为红巨星，体积增大，亮度变大。
3. 超新星阶段当核反应无法维持恒星的平衡时，恒星会发生超新星爆炸，释放出极其巨大的能量。
在超新星爆炸的过程中，恒星会喷发出大量的物质，质量会急剧减少。
恒星的演化
宇宙起源与演化——恒星的演化恒星，作为宇宙中不可缺少的一类重要天体，深刻地影响着我们。
本文就以距离我们最近的恒星——太阳为例，探讨恒星的演化过程。
恒星都是气体星球，宇宙中最基本的两种元素——氢元素和氦元素构成了恒星的主体。
不过，在已知宇宙中，远远不止这两种轻元素，到目前为止，元素周期表中已经有了117种元素，如此丰富的元素是如何产生的呢，我们把目光投向了恒星。
事实上，恒星含有我们在自然界中发现的各种各样的元素，恒星在这些元素的合成中扮演着重要的角色。
一、恒星的诞生我们可以将恒星形象地比喻成一座巨型核电站，，燃料就是氢和氦，在巨大的重力作用下，氢不断燃烧（主序阶段），温度不断升高，随着时间的推移最终将自己燃烧殆尽。
我们将目光聚焦于太阳，太阳诞生在大约50亿年前，这个距离相对而言并不久远。
太阳诞生初期，高度收缩，密度极大，重力不断挤压它。
事实上，这个过程既是气体在不断地坍塌，同时它不断地升温并且辐射出能量。
当温度升高到1000万开氏度的时候，便会产生量子隧道效应，核聚变也会随之发生。
即将发生的第一个核反应的过程是氢合成氦。
在经过“质子-质子链反应”的核反应周期之后，氢原子核结合在一起，形成氢的同位素—氘。
氘原子核由一个质子和一个中子组成（这个中子来源于质子，它发生在质子衰变为中子、正电子和中微子的过程中），然后氘原子核和另一个氢原子核结合，形成氦的轻同位素——氦3（只有一个中子和两个质子）。
接下来，氦3的两个核子结合形成有四个核子的氦原子核，与此同时，又出现两个氢原子核。
在这个过程中，会产生并辐射大量的能量。
最终的结果是：四个氢原子核（质子）生成一个氦原子核，释放出两个氢原子，同时产生大量能量。
具体过程如图：氦是这个核燃烧过程的产物，在这个过程中的另一产物——能量，以光的形式散发出去。
二、红巨星阶段在这些过程发生的同时，氦原子核开始在太阳中心积累起来。
这个过程可以稳定地持续几十亿年（现在，太阳正处在这一阶段），直到氢几乎全部消耗殆尽。
恒星形成与演化(科普版)
垂直自转轴方向停止收缩，平行方向继续收缩，
星云变得扁平且密度增大，最终星云碎裂。总角动 量被分解为各个碎块的自转和轨道角动量。
2020/1/12
xkong@
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其它影响恒星形成的因素：
原始星云的磁场
– 原始星云一般具有微弱的磁场。 随着星云收缩，磁场强度变大。 磁场将阻止星云收缩，特别是垂 直于磁场方向的收缩。
右方的纵轴为恒星的绝对星等，亦即恒星在距 地球10 pc(32.6 ly)时的「视星等」。绝对星 等可量度一恒星的实际亮度。
赫罗 图
质量图
不同的恒星 有不同的位置
亮度
温度
10000
1000
和 100
太
阳
比 较
10
下
的
实1
际
亮
度1
10
1 100
1 1000
温度 (0C)
400000100000700005000030000
不同类型的恒星
–规模较小的星云形成一个孤立的恒星,
–大的星云由于密度不均匀,其中有几个质量中心,因而形 成双星、聚星或星团。
–质量非常小的星云,不能收缩成为恒星
2020/1/12
4
弥漫星云
巨蛇座弥漫星云M16
弥漫星云
猎户座马头星云
弥漫星云
玫瑰星云
弥漫星云
三叶星云
弥漫星云
人马座礁湖星云M8
行星状星云
大质量星的演化
恒星中心核可能经历的核燃烧过程及其生成物 恒星内部物理过程 ： 核心H枯竭→壳层H燃烧 →核心He燃烧→核心He枯竭→壳层He和H燃烧 →核心C燃烧→核心C枯竭→壳层C、He和H燃烧 →O, Ne, Si燃烧 …→Fe核
恒星 化学
恒星化学恒星的组成与化学元素恒星是宇宙中最常见的天体之一，它们以巨大的质量和高温的核心而闻名。
恒星由气体和尘埃组成，主要包含氢和氦元素，以及少量的其他化学元素。
恒星的核心是炽热的，温度可以达到数百万摄氏度。
在这样的高温下，核聚变反应会发生。
核聚变是指将轻元素合成为更重的元素的过程。
在恒星的核心，氢和氦元素会通过核聚变反应转化为更重的元素，如碳、氧、氮和铁等。
恒星的化学元素组成对其演化和性质起着重要的影响。
恒星中的化学元素通过核聚变反应的连锁过程逐渐合成。
例如，恒星中的氢元素会逐渐转化为氦元素，然后再转化为更重的元素。
这种合成过程会导致恒星的化学元素丰度逐渐变化。
恒星演化与化学元素的丰度恒星的演化过程与其化学元素的丰度密切相关。
恒星从形成到死亡，经历了不同的演化阶段，每个阶段都会对其化学元素的丰度产生影响。
在恒星形成的初期，恒星的核心主要由氢和少量的氦组成。
随着核聚变反应的进行，氢被转化为氦，恒星的核心丰度逐渐增加。
当核心的氢耗尽时，恒星会进入红巨星阶段。
在这个阶段，恒星的核心温度升高，氦开始进行核聚变反应，转化为更重的元素，如碳和氧。
随着恒星的继续演化，核心的温度继续上升，氦的核聚变反应也会停止。
这时，恒星的核心会坍缩，并在外层形成一个气体壳层。
在这个阶段，恒星的外层会膨胀，形成一个巨大的气体球，称为红巨星。
红巨星的外层温度较低，但丰度更高，含有更多的碳、氧和其他重元素。
最终，恒星会在超新星爆发中死亡。
超新星爆发是恒星最后的演化阶段，它会释放出巨大的能量，并将恒星的物质喷射到宇宙中。
超新星爆发还能合成更重的元素，如铁、镍和铜等。
这些元素会随着超新星爆发的扩散而传播到宇宙中，成为构成行星、恒星和生命的重要基础。
恒星化学对宇宙的影响恒星化学对宇宙的演化和结构起着重要的影响。
恒星的形成和死亡过程会释放出大量的能量和物质，并将化学元素散布到宇宙中。
恒星的形成是由于分子云中的物质引力坍缩而形成的。
在这个过程中，分子云中的物质会聚集在一起，并逐渐形成恒星。
铁元素是如何诞生的原理
铁元素是如何诞生的原理铁元素的诞生原理主要涉及到恒星演化和核融合的过程。
在宇宙大爆炸之后，宇宙中的元素主要是氢和少量的氦。
然而，恒星的演化过程对于元素的丰度起着决定性的影响。
恒星是由大量氢气云聚集而成的，当氢云达到足够大的质量时，引力开始起作用，使气体云坍缩。
在坍缩过程中，氢云中的逐渐增多，温度和压力也就逐渐增加。
当氢云坍缩到一定程度时，其核心温度达到了大约1500万摄氏度，这时就会发生核聚变。
核聚变是指两个或多个原子核相撞并粘合成一个新的原子核的过程。
在恒星核心的高温和高压环境下，氢原子核开始发生热核融合反应，两个氢原子核聚变成一个氦原子核。
然而，这并不意味着铁元素能够直接形成。
热核融合反应并不会直接产生铁元素，它只是在恒星内部进行的，同时还伴随着能量的释放。
而铁的形成是在超新星爆发过程中发生的。
当恒星内部的氢燃料被耗尽后，恒星会逐渐演化成红巨星。
红巨星的核心温度非常高，足以容纳进行更高级的核聚变反应。
在红巨星的核心中，氦开始聚变成其他元素，如碳、氧、氮等。
随着更高级别的核聚变反应的进行，直到合成镓、锗和锡这些中重元素，核反应释放的能量开始变得有限。
当恒星的核心合成铁时，铁的形成会导致核聚变反应停止。
这是因为，铁的原子核比其他元素的原子核更加稳定，聚变反应释放的能量恰好能够平衡铁核的稳定性。
当核聚变反应停止时，恒星的核心受到引力的作用逐渐坍缩，直至引力压倒了核反应提供的压力。
这时，恒星的外层开始向内部坍塌，形成一个叫做“内爆”的过程。
这个过程是非常剧烈的，并释放出大量的能量和热量。
在内爆的过程中，核心内部的物质达到非常高的温度和密度，将原子核逼近得非常近。
此时，原子核间的库伦排斥力无法抵抗引力，原子核开始合并。
这个过程被称为核聚合。
在核聚合的过程中，轻原子核聚合成更重的元素，同时释放出大量的能量。
这些能量推动核聚合反应的进行，使反应连锁反应的形式扩大，最终形成超新星爆发。
超新星爆发是一种极为剧烈的爆炸，释放出巨大的能量，并在空间中散播大量的重元素和高能粒子。
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2013-5-28
20
具有不同质量恒星的形成
不同质量的恒星在形成过程 中，在H-R图上沿不同的路 径演化。 小质量原恒星内部对流发展 充分，温差小，收缩时表面 温度几乎不变；大质量原恒 星对流层浅，温度变低。 质量越高的恒星，其原恒星 演化到主序的时间越短，在 主序上的位置越高。 0.2 109 1.0 3×107 5.0 7×106 15.0 6×104
2013-5-28 26
EVIDENCE OF CLOUD CONTRACTION
The M20 region shows observational evidence for three broad phases in the birth of a star: (1) the parent cloud (stage 1), (2) a contracting fragment (between stages 1 and 2), and (3) the emission nebula (M20 itself) resulting from the formation of one or more massive stars (stages 6 and 7)
evolution): 原恒星向主序演化为主序 前星，但内部温度还没有升高到H点火 温度
阶段 观测天体 4 5
2013-5-28
核心温 度 (K) 106 5×106
表面温 核心密度 (cm-3) 度 (K) 3000 4000 1018 1022
直径 (cm) 1013 1012
持续时 间 (yr) 106 107
2013-5-28 23
Differences between brown dwarfs and planets
Planets are smaller and lighter Planets have a solid core They are formed in a complete different way
104 100
核心密度 (cm-3)
1012
直径 (cm)
1015
持续时 间 (yr)
105
2013-5-28
16
4. 形成原恒星(protostar) : 星
云快速收缩过程结束，引力几乎和气体 压力相等。恒星已经变得不透明，辐射 只能从表面逸出，中心温度迅速升高。
5.原恒星演化(protostellar
Magnetism can hinder the contraction of a gas cloud, especially in directions perpendicular to the magnetic field (solid lines). Frames (a), (b), and (c) trace the evolution of a slowly contracting interstellar cloud having some magnetism.
xkong@ 2
2013-5-28
早期
大爆炸
2013-5-28
第一代 结构
xkong@
现在
3
大爆炸宇宙学
宇宙的极早期，宇宙的温度和密度都极高 温度不断下降，宇宙辐射为主物质为主 气体逐渐凝聚成气云，然后有恒星、星系
恒星形成理论
星际气体怎么会形 成光辉夺目的恒星 呢？
引力！
引力为天体和整个宇宙动力学的支配者
2013-5-28
xkong@
5
2013-5-28
6
恒星形成理论: 弥漫学说
散布于空间弥漫物质在引力作用下凝聚为恒星
宇宙空间存在着大量的星际物质: 原子/分子/尘埃 由于星际物质密度的不均匀性，形成了一些密度较大区域 星际物质受到引力的作用，便聚集到这些区域，形成星云 星云不断收缩，势能转换为恒星内部热能和向外的辐射能 星云温度不断提高，并向外辐射能量，从而形成原始恒星
第三章 恒星的形成与演化
1. 2. 3. 4. 5. 6.
恒星形成 恒星结构 元素合成 恒星演化 超 新 星 密近双星
2013-5-28
1
恒星形成
Studying this chapter will enable you to:
Discuss the factors that compete against gravity in the process of star formation.
2013-5-28
24
初始质量函数(Initial Mass Function)
Generally more low-mass than high-mass stars form when an interstellar cloud fragments. The stellar initial mass function (IMF) describes the probability of a star forming with a particular mass.
21
原恒星质量 (M⊙) 原恒星演化时间 (yr)
2013-5-28
Formation of Massive Stars and Clusters
Massive stars have masses that are much larger than the Jeans mass in the cloud cores where they form. The large cloud cores might contain many small bound clumps. These cores might form groups or clusters of stars.
不同类型的恒星
规模较小的星云形成一个孤立的恒星, 大的星云由于密度不均匀,其中有几个质量中心,因而形 成双星、聚星或星团。 质量非常小的星云,不能收缩成为恒星
7
2013-5-28
金斯（Jeans）不稳定性
由万有引力产生的一种不稳定性， 因金斯在20世纪初最先研究而得 名 对于一个如星云的自引力体系， 当星云的质量足够高时，(向内的) 引力超过由热运动和湍动产生的 (向外的)压力，将引起星云的收 缩
2013-5-28
13
演化轨迹：
each for a
fixed mass
at different times
等年龄线：
each for a
fixed time
and different masses
2013-5-28
14
类太阳质量恒星的形成
星云的快速收缩过程(密度小，辐射透明，等温收缩)
1. 星际云 (interstellar cloud):星际云坍缩，
2013-5-28
27
EVIDENCE OF CLOUD FRAGMENTS
Orion
(a) Orion (b) enlarged. The three frames at right show some of the evidence for those protostars. (c) some intensely emitting molecular sites. (d) visible image of embedded nebular "knots" thought to harbor protostars. (e) several young stars surrounded by disks of gas and dust where planets might ultimately form.
3 M J 1.2 10 M 2 24 3 100K 10 gcm
2013-5-28 xkong@ 8
星云不稳定的极限质量称为金斯 32 (Jeans)质量： T 5
James Jeans 1877 - 1946
17
原恒星 主序前星
2013-5-28
18
6. 零龄主序 (zero-age mainsequence stars) :恒星热核反应 (H燃烧)开始进行，成为零龄主序 恒星。光度约为现在太阳光度的 2/3。
7. 主序星 (main-sequence
stars) :恒星略微收缩，完全达到 流体静力学平衡，成为正常恒星.
(m) m
(1x )
013-5-28
25
恒星形成理论的观测证据
The evolutionary stages described are derived from numerical experiments performed on computers.
NGC 3603
2013-5-28
xkong@
22
褐矮星 (Brown Dwarfs)
Masses < 0.08 M⊙(10MJ- 84 MJ) Central Te<3 million K Surface temperature ~ 1000 K
TWA 5 and its brown dwarf companion in Infrared (left) and in X-ray (right).
并分裂成小云块(密度上升，金斯质量减小)
2. 星云块 (cloud fragments):星云仍十分稀薄，
热量可以不受阻碍地散逸，星云内的温度没有明显上升
阶段 观测天体 核心温 表面温 核心密度 度 (K) 度 (K) (cm-3) 1 2