天文学课件之7

第七章天体的演化1.恒星的能源2.中微子失踪之谜3.星云孕育恒星4.恒星化作星云5.恒星演化的结局1.太阳的能源L⊙≈3.8×1033erg/s,τ⊙≈5×109year可能的能源：(1)化学反应：2H+O→H2O+Eτ≤30year(2)引力收缩(KelvinandHelmholtz)：辐射→压力↘→收缩→温度↗→辐射τ~(GM⊙2/R⊙L⊙)~107year7.1恒星的能源1926年，爱丁顿首先提出恒星的能源只能是来自核反应。研究核反应的物理学家认为不可能.当时的物理学研究知道，只有当温度达到几百亿度时，才能发生聚变。而恒星中心区域的温度达不到这样的高温，所以他们认为在恒星内部不可能发生核反应。最后还是爱丁顿胜利了，物理学家终于发现，由于量子力学的隧道效应，在恒星内部温度的条件下是可以发生核反应的。但并不是爱丁顿解决的这个难题，他提出的看法和他的名气促进物理学家研究这个问题。热核聚变反应•核子1+核子2核子3+能量•质量亏损,E=mc2核子1+核子2质量核子3质量•热核聚变反应要求粒子处于高温高密状态SirArthurS.Eddington(1882-1944)热核反应原理•Einstein：E＝mc2•原子核结合能：Q＝[(Zmp＋Nmn)－m(Z,N)]c2/AZ—核电荷数（原子序数），N—中子数A＝Z＋N原子量•Fe元素具有最大的结合能结合能较小的原子核聚变成结合能较大的原子核会释放能量。(1)氢核聚变为氦核41H→4He+EnergyEnergy＝(4mH－mHe)c2≈(4×1.67×10-24－6.644×10-24)×c2≈4×10-5erg燃烧效率η≈0.7%氢核聚变为氦核•这是最简单的聚变反应•但是4个质子＋2个电子同时碰在一起太困难了。•质子之间的静电斥力和它们之间的距离的平方成反比。它们越接近，斥力越大。•分几次完成是可行的。氢聚变是由分三个步骤完成：(Proton-Proton反应)1，两个质子碰撞并发生聚变，形成氢的同位素氘()2，由氘和质子碰撞形成氦的同位素氦3（）。3，两个氦3()碰撞形成氦核，完成由氢核聚变为氦核()的反应。32He32He42He21H质子－质子反应条件：8×106K＜T＜2×107K,M＜1.5M⊙共6个质子参与，形成两个质子、一个氦核、两个中微子、两个正电子和两个光子。同时释放24.158电子伏特的能量。112111213112334122212eHHHeHHHeHeHeHeH(2)碳氮氧循环(CNOcycle)T＞1.6×107K,M＞1.5M⊙①12C+1H→13N+γ②13N→13C+e++νe③13C+1H→14N+γ④14N+1H→15O+γ⑤15O→15N+e++νe⑥15N+1H→12C+4He（CNO）条件1.参加核反应的碳、氮、氧在反应前后并没有改变，特别是氮、氧是中间产物，产生了又消失。但一定要有碳存在；2.碳、氮、氧循环要求1500万的高温；比P－P反应要高。3.要有足够多的氢核(质子)，就可以成为稳定的能源。•在两种循环中，都是4个氢原子核聚变成1个氦原子核，损失质量，放出能量。•在太阳内部，99％的能源来自于质子－质子反应，1％来自于碳循环。•爱丁顿的理论站住了脚，而两种氢原子核聚变成氦原子核反应的发现者之一Bethe获得了1967年的诺贝尔物理奖。而C.F.Weizsacker却错过了NobelPrizeforPhysics.7.2中微子失踪之谜•中微子是一种不带电、质量极小的亚原子粒子，它几乎不与任何物质发生相互作用。•由W.Pauli于1930年提出，E.Fermi为它取了名字。•1953年在宇宙线种证实了其存在。1962年在加速器种观测到了踪迹。•由3种中微子。在标准模型中，中微子没有质量。•自然界的4种相互作用。25种基本粒子。•太阳内部H核聚变释放能量的5%被中微子携带向外传输，每秒大约有1015个中微子穿过我们的身体。•目前接收到的太阳的辐射（光子）实际上产生于105-107年前的太阳内部，而中微子则是在当前产生的。•中微子非常难于观测，因为它几乎不与其他物质相互作用。太阳中微子的产生H+HD+positron+neutrinoH+H+electronD+neutrinoD+HHe3+gammarayHe3+He3H+H+He4He3+He4Be7+gammarayBe7+positronLi7+neutrinoLi7+HHe4+He4Be7+HB8+gammarayB8Be8*+positron+neutrinoBe8*He4+He4太阳中微子的探测•原理(1)中微子与C2Cl4（四氯乙烯）相互作用（几率非常小）37Cl+ν→37Ar+e(2)37Ar俘获内壳层电子37Ar+e→37Cl+ν(3)37Cl退激发释放光子Homestake金矿中微子实验室1967R.Davis1.6kmC2Cl4中微子探测器宇宙线ArArgonAtom100,000gal.tank金矿Ar太阳中微子探测器Super-KamiokandeNeutrinoObservotaryinJapan小柴昌俊1987纯水：太阳中微子穿过，可发出微弱闪光。地下1000米5万顿纯水1.12万个光电倍增管。SudburyNeutrinoObservotary(SNO)inCanada（1999）太阳中微子探测器地下2000米直径12米的球形容器1000吨重水，9600光电倍增管可测三种中微子太阳中微子失踪案•实际测量到的太阳中微子数目只有理论计算值的约1/3。•可能的原因：(1)太阳内部结构与成分与太阳标准模型差异(2)中微子物理——中微子振荡电子中微子、μ中微子和τ中微子。揭示中微子失踪之谜Measurementoftherateofνe+dp+p+e－Q.R.Ahmadetal.(178persons)•2001年，SNO的观测结果证实中微子事实上没有失踪，只是在离开太阳后转化成μ中微子和τ中微子，躲过了此前的探测，这间接证明中微子具有质量。1.恒星不是生物，没有生命，但却有产生和灭亡的经历。2.引力是恒星产生和灭亡的决定因素。3.引力是4种基本相互作用之一。7.3星云孕育恒星1.天文观测表明，年轻恒星几乎总是处于星际云内或附近,可以推断，恒星是在星际云中产生的。2.金斯质量理论研究表明，并非所有的星际云中都能形成恒星。英国天文学家金斯得出,在一定的温度和物质密度下，存在一个临界质量，只有当星际云的质量大于这个临界质量时，星际云才有可能在自身内部的万有引力作用下发生收缩，并进一步形成恒星。这个临界质量称为金斯质量。•金斯质量的具体数值与星际云的温度以及其中的物质密度有关。温度越高,金斯质量越大,物质密度越高,则金斯质量越小。•只有那些温度较低、密度较高的星际云,才有可能达到金斯质量。这种星际云主要是分子云,直径可以达到50至500光年,质量为10万至100万太阳质量。•分子云内主要的成分是氢分子，还有氢原子、氦原子以及其他分子和尘埃。温度很低,不超过10K呈现纤维,团块、稠密核的结构。•稠密核的直径为0.1光年到几光年,相应的质量小的为1至10太阳质量,大的可以有100至10000太阳质量,甚至更大。这样的分子云,要能够形成恒星,还必须有某种扰动使它碎裂、收缩。这种原因可以是分子云经过银河系旋臂时受到旋臂的引力冲击,或者受到由于邻近的超新星爆发而在星际物质中产生的激波的冲击,或者分子云相互之间发生碰撞。分子云内某些局部区域因冲击或碰撞而变密,于是金斯质量减小,特别是分子云中的稠密核,将发生进一步的分裂和引力收缩,出现了大量具有一颗恒星那么大质量的云团。每个云团以后的演变,一般都是独立的，一颗颗恒星就由这些云团继续收缩而形成。一个云团是怎样演变成一颗恒星的。这个云团一开始仍然几乎是透明的，收缩的时候,引力势能转变成热能,但热能随即全部辐射出去,所以温度并不升高,云团内气体的压力与引力相比可以忽略不计,下落的气体按照自由落体定律速度越来越快。在天文学上称之为“坍缩”。外面的气体下落到云团的核心处,核心处的物质密度迅速增大,气体变得不透明起来,温度急骤升高,向外的压力也随之升高,达到了可以与引力抗衡的状态。这时核心外面的气体仍然以自由落体下落,但核心处缓慢地收缩,温度达到几百开。达到这种状态的云团,开始发出红外线,成为一颗红外天体,称为原恒星。原恒星进一步收缩,温度越来越高,压力也越来越大,当温度达到二三千开时,压力与引力基本平衡,收缩就大大减慢,转入准静态时期,即进入慢收缩阶段。此时,原恒星发出可见光,成为主序前恒星。原恒星核心温度达到几百万K时,氘、锂、铍和硼的原子核与质子发生核反应变成氦,但很快耗尽,不能提供大量而持久的能量。当恒星核心温度达到1000万K时,氢核聚变成氦核的反应开始并持续进行,核反应成为主要的能量,能稳定地提供能量,压力与引力达到平衡,于是收缩停止,处于平衡状态。此时,恒星成为主序星。人马座中的礁湖星云（M8），其中有一个星团正在形成。新形成的恒星发射出紫外辐射，激发星云的气体，是星云发光。“老鹰星云”位于七千光年外的天蛇座的弥漫星云(M16)里的巨大分子云柱，孕育着许多初生的恒星，发亮的地方表明有大质量的恒星在形成。(HST)恒星在分子云中形成是一个发光星云，也是恒星的诞生地。它位于人马座的银河系的邻近星系NGC6822。(HST)这个位于大麦哲伦云的球状星团R136周围的星云中，诞生了大批的巨型恒星。(HST)在赫罗图上,原恒星出现在赫罗图的右下方。在慢收缩阶段的初期,表面温度虽然还很低,但体积大,随着温度升高,亮度升高,在赫罗图上由下而上移动。在进入慢收缩阶段后,表面温度暂停升高,但体积继续缩小,因而亮度随之下降,于是在赫罗图上由上而下移动。当氢聚变为氦的核反应开始后,表面温度升高,于是在赫罗图上向左移动,最后到达主星序,成为主序星。•质量不同的恒星,慢收缩阶段的时间长短不同,质量越小,历时越长。•0.2太阳质量的恒星,慢收缩的时间长达17亿年；•1太阳质量的恒星,慢收缩的时间约7500万年；•15太阳质量的恒星,慢收缩的时间只有6万年。•质量小于O.08太阳质量的恒星,永远也达不到核反应开始所需要的温度,它们将一直处在慢收缩阶段,靠转化引力势能发出很弱的红光,这类恒星称为褐矮星。质量不同的恒星,演化的速度与路径也不同,进驻赫罗图上主星序不同的位置：大质量恒星,内部的压力和温度高,产生核反应的中心区大,参加核反应的物质多,产生的能量多,所以大质量的恒星温度高,亮度大,成为高光度的蓝星,在赫罗图上它们位于左上；质量小的恒星，核反应的中心区小，产生的能量少，因而温度低，亮度小，成为低光度的恒星，在赫罗图上它们位于右下角。恒星演化的基本原理恒星在一生的演化中总是试图处于稳定状态（流体静力学平衡和热平衡）。当恒星无法产生足够多的能量时，它们就无法维持热平衡和流体静力学平衡，于是开始演化。恒星的一生就是一部和引力斗争的历史！7.4恒星化作星云不同质量主序星的演化时标恒星寿命的长短取决于它的质量；恒星死亡取何种结局，也取决于它生前的质量。M(M⊙)30151.00.5tn(yr)2×10610710106×1010小质量恒星对质量小于2.3太阳质量的恒星，寿命约100亿年，死亡的方式较为平稳，结局是白矮星加上一片硕大而稀薄的星云－－行星状星云。太阳是小质量恒星。已有50亿年的历史，再过50亿年，随着核反应的进行，核心区的H元素丰度逐渐减小，直至枯竭，全部转变成He。1.氦核聚变要求更高的温度，由于温度不够，热核反应暂时停止，由于没有辐射，辐射压大大降低，导致引力大于向外的压力。2.恒星将会因抗衡不住引力而收缩。收缩的结果导致中心部分温度大增，使氦能发生聚变反应（生成碳和氧），加热中心区的外围大气，使恒星外层向外膨胀。3.恒星中心部分以外的区域由于温度的增高又开始氢核聚变反应，并且核反应迅速向外层转移，推动外层膨胀，使得恒星体积很快增大上千倍上。由于温度下降，颜色变红。这样，这颗恒星就