哈工大天文学概论第一节1.

天文学概论ABriefCourseofAstronomyAstronomy4230Lecture6TheLifeofStarsTheLifeofStars–Throughouttheirwholehistory,starsfightanimmensestrugglebetween•GravityPressure–Mostofthetime:StableEquilibrium–Onlyinstablebeforereachingequilibrium(BirthProcess)andafterrunningoutoffuel(‘Death’)恒星的一生就是一部和引力斗争的历史！InterstellargasanddustpervadetheGalaxy•Interstellargasanddust,whichmakeuptheinterstellarmedium,areconcentratedinthediskoftheGalaxy•Cloudswithintheinterstellarmediumarecallednebulae•Darknebulaearesodensethattheyareopaque•Theyappearasdarkblotsagainstabackgroundofdistantstars•Emissionnebulae,orHIIregions,areglowing,ionizedcloudsofgas•Emissionnebulaearepoweredbyultravioletlightthattheyabsorbfromnearbyhotstars•Reflectionnebulaeareproducedwhenstarlightisreflectedfromdustgrainsintheinterstellarmedium,producingacharacteristicbluishglow亮星云：发射星云，反射星云星云暗星云三叶星云(Trifidnebula)AngularMomentumProblem•Theamountofangularmomentum(AM)inatypicalstarformingcloudcoreisseveralordersofmagnitudetoolargetobecontainedinasinglestar.•TwopossiblewaystodisposetheexcessAM–AMistransportedtooutlyingdiffusematerialinanaccretiondisk.–AMgoesintoorbitalmotionsofthestarsinabinaryormultiplesystem.FormationofMassiveStarsandClusters•Intenseradiationemittedbyamassiveaccretingprotostarcanproducefeedbackeffectsontheinfallingenvelopethatlimitscontinuingaccretion.•Portostellarinteractions(e.g.mergers)mayplayanimportantroleinformationofmassivestars.褐矮星(BrownDwarfs)–FailedStars•Masses0.08M⊙(10MJ-84MJ)•Centraltemperature3millionK•Surfacetemperature~1000K•Differencesbetweenbrowndwarfsandplanets–Planetsaresmallerandlighter–Planetshaveasolidcore–Theyareformedinacompletedifferentway气体云的收缩原恒星主序前星零龄主序零龄主序云块碎裂、辐射MMCMMCMC~3-6M⊙主序星的演化•主序星的性质–均匀的化学组成–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不同质量主序星的演化时标M(M⊙)30151.00.5tn(yr)2×10610710106×1010(2)星云碰撞→辐射→冷却→坍缩主序带：主序星从核心H燃烧开始到结束在H-R图上占据的带状区域演化路径(EvolutionaryTrack)核反应4H→4He→核心区粒子数n↓→Pc↓→核心收缩Rc↓→核心区温度Tc↑，核反应产能率e↑→光度L↑→包层压力P↑→恒星半径R↑恒星主序后的演化•当恒星核心区的氢完全耗尽，恒星开始脱离主序。1.类太阳(M~1M⊙)恒星的演化(1)脱离主序——亚巨星支(SubgiantBranch)H-R图恒星逐渐向右脱离主序。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。yr108(2)红巨星支(RedGiantBranch)H-R图恒星向右上方攀升成为红巨星。内部过程He核进一步收缩Rc↓→Tc↑，核区电子简并→壳层H燃烧L↑→R↑→T↓→恒星包层产生对流→HayashiTrackyr105StructureofARedGiant(3)He闪(HeliumFlash)H-R图恒星攀升到红巨星支的顶点。内部过程核心He开始燃烧(Tc～108K)→Tc↑（简并→Rc不变）→e↑→Tc↑→...→核心He爆燃(Dt~min,L~1011L⊙)→电子简并解除(4)水平支(HorizontalBranch)H-R图：恒星向左下方移动至水平支内部过程：核心He（+壳层H）燃烧→Rc↑→Tc↓→R↓→T↑yr1057(5)渐进巨星支(AsymptoticGiantBranch,AGB)内部过程：核心He枯竭（CO核）→Rc↓→Tc↑→壳层He和H燃烧→L↑R↑T↓H-R图：恒星向右上方再次攀升成为红超巨星yr104热脉冲(ThermalPulses)H-R图：恒星移至渐进巨星支顶点。内部过程：壳层He闪（不稳定燃烧）→恒星脉动（热脉冲）→抛射红巨星的包层（25%-60%恒星质量）→行星状星云+高温简并CO核心(6)CO核坍缩成白矮星(7)白矮星冷却H-R图：恒星向左方移动。内部过程：核心收缩→T↑行星状星云向外弥散H-R图：恒星向右下方移动。内部过程：白矮星冷却→黑矮星。yr105行星状星云(PlanetaryNebulae)•低质量恒星在死亡时抛出的气体包层，受到中心高温白矮星的辐射电离而发光。•通常为环形，年龄不超过~5×104yr。螺旋星云HelixNebulaRingNebula哑铃星云DumbbellNebula沙漏星云蝴蝶星云ButterflyNebulaPlanetaryNebulaGalleryCat'sEyeNebulaTheEskimoNebula2．较高质量(M~2M⊙)恒星的演化(1)与低质量恒星演化的主要区别•恒星内部的H燃烧通过CNO循环进行，内部温度更高，辐射压对维持恒星的力学平衡起更大的作用，主序寿命更短。Livefast,dieyoung.•He核不再是简并的，C和更重元素的燃烧可以平稳进行。•核心区核反应产生的能量主要以对流的方式向外传递。(2)中等质量（M~5M⊙）恒星的演化演化轨迹与物理过程1.恒星向右方移动成为红超巨星。（核心H枯竭→壳层H燃烧）2.恒星向左方移动。（核心He平稳燃烧）3.恒星向右上方攀升至红超巨星。（核心He枯竭→壳层He和H燃烧）4.恒星向左方移动，然后折向右下方(?)（红超巨星→行星状星云+高温简并CO核CO核坍缩→高温白矮星白矮星冷却→黑矮星）5M⊙恒星的演化3.高质量(M~10M⊙)恒星的演化观测表现：O型星→蓝超巨星→黄超巨星→红超巨星→超新星恒星内部物理过程：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SequenceofEventsinaSupernovaExplosion核反应停止，核坍缩Rc↓Tc↑Fe核光致离解4He光致离解e-+p→n+ne电子数目、能量损失→Pe↓Rc↓→Tc↑,星核坍缩当rc=rnu，中子简并→核坍缩停止，中子星外部下落物质激波反弹→壳层抛射→II型超新星爆发EvolutionaryStagesofa25M⊙StarStageTemperature(K)Density(g/cm3)DurationofstageHydrogenburning4×10757×106yearsHeliumburning2×1087005×105yearsCarbonburning6×1082×105600yearsNeonburning1.2×1094×1061yearOxygenburning1.5×1091076monthsSiliconburning2.7×1093×1071dayCorecollapse5.4×1093×1091/4secondCorebounce2.3×10104×1014millisecondsExplosionabout109varies10seconds4.特大质量恒星的演化•星风引起的质量损失高光度恒星通常有很强的星风～10-6-10-4M⊙yr-1如沃尔夫-拉叶(WR)星。•演化过程O型星→蓝超巨星→（红超巨星）→WR星→Ib/Ic型超新星→中子星/黑洞NebulaM1-67aroundstarWR124恒星初始质量(M⊙)演化结局M0.01行星0.01M0.08褐矮星0.08M0.25He白矮星0.25M8CO白矮星8M12(?)ONeMg白矮星12M25(?)超新星→中子星M25(?)超新星→黑洞不同初始质量恒星的演化结局超新星(Supernovae)和超新星遗迹(SupernovaRemnants)II/Ib/Ic型超新星—高质量恒星在演化末态发生的剧烈爆炸。星系M51中的SN1991T•特征：光度L～107-1010L⊙，Lf/Li～108爆发能E～1047-1052ergs（其中中微子占99%，动能占1%，可见光辐射占0.01%）膨胀速度v～103-104kms-1•产物：膨胀气壳（超新星遗迹）+致密天体（中子星或黑洞）SN1998aqinthegalaxyNGC3982CrabNebulaRemnantofSupernovain1054AD•观测分类：I型与II型超新星–谱线特征：I型(Ia,Ib/Ic)无H线，II型有H线–光变曲线不同*****OpticalSpectraandLightCurvesofSupernovae•爆发机制：Ia超新星爆发：双星系统中吸积白矮星的C爆轰。Ib/Ic,II型超新星爆发：大质量恒星的核坍缩。*****环状星云的结构InteractionoftheSupernovaEjectawiththeInnerRingOptical,Feb.2000Radio,Sep.1999X-ray,Oct.1999X-ray,Jan.2000超新星遗迹(SupernovaRemnants)•超新星爆发抛出的大量物质在向外膨胀过程中与星际物质和磁场相互作用而形成的气体星云。•强射电辐射和高能辐射源（同步加速辐射，激波加热）。•年龄≤~105yr•形态分类：壳层型（辐射主要来自纤维状的球形壳层和星际气体的相互作用）。混合型（辐射来自遗迹整个区域，并且由中心的致密星提供能源）。CrabNebula-OpticalandX-ray典型的超新星遗迹TychoNebula天鹅圈CygnusLoopPuppiesA典型的超新星遗迹CasATheCycleofStellarEvolutionTheHenize206nebulaN11Lecture7CompactObjects白矮星(WhiteDwarfs)1.发现天狼星（Siri