小质量恒星的演化

天文学导论第9讲小质量恒星演化ItissaidanEasternmonarchoncechargedhiswisementoinventhimasentencetobeeverinview,andwhichshouldbetrueandappropriateinalltimesandsituations.Theypresentedhimthewords:“Andthis,too,shallpassaway.”AbrahamLincoln(1809-1865)September30,1859本讲内容1.小质量恒星（太阳）的主序后演化红（超）巨星行星状星云（地球的命运）2.白矮星3.小质量双星的演化激变变星新星Ia（热核）超新星主序后恒星的演化星际云坍缩为巨大的原恒星，由气体和尘埃组成的盘所环绕遗留在盘内的气体和尘埃聚积成行星及其卫星、小行星和彗星等原恒星继续坍缩直到核心的H点燃而成为主序恒星主序恒星：恒星核心的H在燃烧恒星最终会耗尽其核心的H燃料：结构开始剧变，开始快速演化最终坍缩成为没有核燃料的致密天体每颗恒星都是唯一的初始质量和化学丰度决定一个恒星的命运•主序寿命，（赫罗图）演化路径，结束方式•一个（孤立）恒星形成之时就确定了它的演化程小质量恒星和大质量恒星的演化十分不同大致区分为两类：•小质量恒星3Msun,以太阳为例天文学家已经回答了我们太阳的命运！•大质量恒星3Msun当主序恒星核心区的氢完全耗尽，恒星开始脱离主序，演化加快，出现一系列壮观景象小质量恒星的演化大质量恒星的演化1。小质量恒星的主序后演化以类太阳恒星演化作为小质量恒星演化的代表，以此来了解太阳轰轰烈烈的一生•相似的初始质量（M~1M⊙）•相似的初始化学成分（~太阳元素丰度）1.1亚巨星支Sub-giantBranch(SB)核心H枯竭(变为He核)，壳层H燃烧主序生活结束，开始快速演化He核收缩壳层引力增加壳层压力增加壳层H燃烧率加快（He核质量增加）恒星更亮，但体积膨胀表面温度降低恒星更红！亚巨星结构：非燃烧He核+壳层H燃烧+非燃烧H包层•在H-R图上,恒星渐渐向右脱离主序(12),称为亚巨星支•体积膨胀表面温度降低，但光度增加•亚巨星的温度下降大约1,000K,yr1081.2红巨星支RedGiantBranch(RGB)非燃烧He核继续坍缩，He核半径减小，He核温度上升壳层H燃烧率更快（He核质量增加）光度增加恒星包层膨胀表面温度降低……RGBHe核体积持续缩小电子开始简并(压)红巨星结构：非燃烧简并He核+燃烧H壳层+非燃烧H包层简并：泡利Pauli不相容原理量子力学：质量大粒子占据空间小！电子先简并客满客满自旋朝上自旋朝下能级1能级2由于H–的调节RGB表面温度变化不大在H-R图上，恒星向右上方几乎垂直攀升成为红巨星（23)：颜色红体积大（亮）反向林忠四郎线：原恒星主序星：H–调节yr105恒星沿RGB是加速向上攀升的H壳层燃烧He核质量增加电子简并度增加导致He核继续收缩（温度升）引力更强H燃烧壳层压力更大更快H壳层燃烧He核质量增加更快…(相互促进）恒星光度加速上升恒星沿RGB是加速攀升的！太阳从主序到RGB最顶端大约要2亿年•SB阶段：L10Lsun•RGB阶段：10Lsun1,000Lsun•半径增大为100倍太阳半径太阳成为红巨星1.3氦闪(Heliumflash)He核质量继续增加且继续收缩引力更大H壳层燃烧更快，且加热He核（由引力能）…当He核的温度上升到约108K时，He开始燃烧(3alpha过程：3HeC)恒星攀升到RGB的顶点（3）由于简并，He核温度上升但不膨胀简并He核是很好的热导体，一旦He核的中心燃烧几分钟内加热整个He核，瞬间整个He核温度相同整个He核燃烧He核电子简并He核燃烧，He核虽温度上升但压力不增加（简并压主导）简并He核不膨胀（简并气体不满足理想气体状态方程！）简并He核的温度上升He燃烧率加快温度上升加快He燃烧率加快…..温度上升和He燃烧率加快相互促进氦闪后，电子简并解除因此，简并He核的突然燃烧是处于失控状态，故称为氦闪•T=1亿K1.1亿K:反应率增加40倍•T=2亿K反应率增加4.6亿倍数秒钟之内，温度上升热压大于简并压He核膨胀冷却电子简并解除He燃烧是以He闪的方式开始，但氦闪仅持续数小时氦闪是理论推算，至今仍未观测到He闪所产生的巨大能量用来抗衡引力和膨胀He核氦闪后,非简并He核变得很大引力减弱He燃烧核心和H燃烧壳层的压力减小核反应率明显降低恒星光度明显下降，仅有He闪时的1/100（包层收缩）恒星进入一个新的稳定态：He在正常的非简并的核内燃烧成为C，H在壳层内燃烧成为He1.4水平支HorizontalBranch(HB)He闪后，光度降低恒星（H包层）收缩表面温度上升恒星向左下方移至水平支（34）t=100,000years恒星的化学成分决定其在水平支上的位置：•化学成分和太阳类似的小质量恒星将只聚集在RGB的左侧•Fe丰度比太阳小的恒星趋于分布在远离RGB的准水平线上•称为水平支（HB）星HB星结构稳定He核燃烧+（+非燃烧He壳层）+H壳层燃烧非燃烧H包层yr1057HB星和主序星的比较HB恒星非常类似于主序恒星（结构、行为）•MS星：稳定的、非简并的核心H燃烧•HB星：稳定的、非简并的核心He燃烧(和壳层氢燃烧)HB星保持稳定仅5千万年(HeC,HHe)：•核心区的燃料变少•He燃烧的能量转换效率比H低许多•HB星更亮必须更快消耗燃料恒星离开HB类似于离开MS（作HHe,HeC替换）1.5渐进巨星支AsymptoticGiantBranch(AGB)在HB阶段，C不燃烧（T不够高）C堆积在核心当核心He枯竭引力压力C核坍缩至电子简并C核半径减小，引力上升壳层压力上升加快壳层He和壳层H的燃烧简并C核质量(非半径，仍坍缩)增长加快引力上升加快壳层压力上升加快…因此恒星光度上升加快恒星半径增大加快（H-）表面温度大致不变类似于RGB,恒星再次向右上方加速攀升为红超巨星(45)在H-R图上的路径非常类似于RGB(23)，故称为AGB，这个阶段的星称为AGB星（红超巨星）yr104AGB星结构简并非燃烧C核+He壳层燃烧+（非燃烧He壳层+）H壳层燃烧+非燃烧H包层C核：质量增加，继续收缩，温度升高*MS,RGB,HBandAGB星的结构比较*当到AGB顶端（5）时，光度的显著增加+恒星的显著膨胀开始抛射冷的外层（引力微弱），最终留下一颗“裸露”的高温C核心2rGMg太阳的C核不会燃烧！简并C核质量(和温度T)增加加快壳层He和H燃烧…互相促进…（C核收缩）AGB星类似于RGB星C(闪)?•决不会（对太阳）！•更大质量恒星可以1MsunAGB星数百倍Rsun膨胀并吞食内行星轨道，可能包括地球•虽然50亿年后发生，但远在此之前（~10亿年后），地球将会由于太阳光度的增加而被烤焦！地球的命运？数十亿年后，主序后半段，太阳膨胀~1.4倍，地球温度上升，地球上的海洋蒸发。太阳在变大，地球失去大气，许多陨石坑。灼热的炼狱之地作为红巨星的太阳，颜色偏红，火红的太阳将占据地球的大半天空地球未来的两种可能，还没有定论•被膨胀的太阳“吞没”（可能性较大，据最新理论）•不被太阳“吞没”，继续围绕那个“太阳”公转地球被膨胀的太阳“吞没”大约77亿年后，太阳将膨胀（~200倍）到差不多地球现在轨道的位置•水星和金星早已被太阳吞没红巨星的大气稀薄，地球短时间内仍能在其大气中作公转运动。由于摩擦，地球失去速度，从而沿一条螺旋轨道向太阳中心“掉落”，最终撞进太阳高温部分，蒸发消失地球不被太阳“吞没”太阳风释放质量，因而引力减弱，结果地球公转轨道比现在向外移动不少，有可能不被膨胀的太阳“吞没”•水星和金星自然是没有了太阳（碳核）坍缩变小（白矮星），地球仍是一颗行星，将一如既往地公转不停•地球外侧行星轨道同样外移一些，继续公转1.6恒星质量损失Stellarmassloss1个太阳质量主序星演化到HB星阶段要损失10%-20%的质量。演化到AGB星时再损失其质量的20%。因此结束AGB星阶段时，1Msun主序星的质量小于0.7Msun在AGB结束时，恒星质量损失失控•质量损失更弱的引力更快的质量损失“更”更弱的引力…质量损失越来越厉害，抛射速度~20-30km/s留下炽热的简并C核壳层He（和H）快速燃烧（完）为C“裸露”C核质量增加+收缩C核变得越来越热恒星在H-R图的顶部快速从右向左移动（56，约5万年）“恒星”表面温度最终可达105K主要辐射高能紫外光(峰值波长29nm)强烈的紫外辐射加热和电离膨胀的致密气体包层而发光，即行星状星云1.7行星状星云PlanetaryNebulae行星状星云通常是低质量恒星在死亡时所抛出的气体包层，受到中心高温“白矮星”的辐射，电离而发光行星状星云常为环形，环绕着恒星演化后所遗留下来的白矮星。气体壳层不断膨胀，年龄不超过5X104年螺旋星云HelixNebulaTheRingNebula环状星云Top:afamousplanetarynebulacalledtheRingNebula(M57),asitappearsthroughasmallamateurtelescope,showswhyastronomerthoughttheseobjectslookedlikeplanetsBottom:however,anHSTimageoftheringshowstheremarkableandcomplexstructureofthisexpandingshellofgas？HST杰作：动物园,……PlanetarynebulaearenotallsimplesphericalshellsaroundtheirparentstarsTheseHSTimagesshowawealthofstructureresultingfromcomplexprocessesbywhichlow-massstarsejecttheirouterlayers.Thus,theyearnsnameslikeOwlNebula,ClownNebula,Cat’sEyeNebula,andDumbbell,…猫眼星云TheCat'sEyePlanetaryNebulaasseenbyHST(right)andChandra(left)蝴蝶星云ButterflyNebula沙漏星云哑铃星云DumbbellNebula爱斯基摩星云TheEskimoNebula1.8成为白矮星后AGB星燃烧完所有壳层（表面）燃料仅剩下质量约为0.6Msun不能燃烧的简并的C球光度骤降，温度变化不大（收缩和引力能）在H-R图的最左侧垂直下落(67)，恒星越来越弱小几千年内，非燃烧的核心收缩成地球大小，此时（整个星体）完全电子简并，抗衡引力，不再收缩简并的恒星灰烬称为（碳）白矮星，很热但很小1.9白矮星冷却为黑矮星白矮星热辐射白矮星持续冷却电子简并其大小几乎不变在H-R图上,沿等半径线向右下方移动（78……）白矮星可保持很热约1千万年，最终光度可降为原主序星的1/1000黑矮星值得记住这个超密球（一茶匙一吨的密度），其生命实际上于100多亿年前开始于一个比地球上最好的真空还要稀薄100亿倍的星际分子云核！一个纪元的终结......另一个新纪元的开端2。白矮星WhiteDwarfs(WD)白矮星是密度高、体积小、光度低、表面温度高的白色星绝对星等Mv~8m-16m光度很