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1、天文学导论,第9讲 小质量恒星演化,It is said an Eastern monarch once charged his wise men to invent him a sentence to be ever in view, and which should be true and appropriate in all times and situations. They presented him the words: “And this, too, shall pass away.” Abraham Lincoln (1809-1865) September 30, 1859,
2、本讲内容,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） 白矮星 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
3、质量恒星的演化十分不同 大致区分为两类： 小质量恒星 3 Msun,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-giant Branch(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
4、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(12), 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,1.2 红巨星支 Red Giant Branch (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
5、,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（23) ：颜色红体积大（亮） 反向林忠四郎线 ：原恒星主序星：H调节,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 (Helium f
6、lash),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108 K时，He开始燃烧 (3 alpha 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
7、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He,1.4 水
8、平支 Horizontal Branch (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（34） t=100,000 years,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,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
9、稳定仅5千万年 (HeC, HHe)： 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 Asymptotic Giant Branch (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,
10、恒星再次向右上方加速攀升为红超巨星 (45) 在H-R图上的路径非常类似于RGB (23)，故称为 AGB，这个阶段的星称为AGB星（红超巨星）,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, HB and AGB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,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R
11、GB星 C (闪) ? 决不会（对太阳）！ 更大质量恒星可以 1 Msun AGB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
12、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 Stellar mass loss,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
13、AGB星时再损失其质量的20%。 因此结束AGB星阶段时， 1 Msun主序星的质量小于0.7 Msun 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 -30 km/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 （56，约5万年） “恒星”表面温度最终可达 105 K 主要辐射高能紫外光 (峰值波长 29 nm) 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 Planetary Ne
14、bulae,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 5 X 104 年,螺旋星云 Helix Nebula,The Ring Nebula 环状星云,Top: a famous planetary nebula called the Ring Nebula (M57), as it appears through a small amateur telescope, shows why astronomer thought these objects lo
15、oked like planets Bottom: however, an HST image of the ring shows the remarkable and complex structure of this expanding shell of gas,？,HST 杰作：动物园, ,Planetary nebulae are not all simple spherical shells around their parent stars These HST images show a wealth of structure resulting from complex processes by which low-mass stars eject their outer layers. Thus, they earns names like Owl Nebula, Clown Nebula, Cats Eye Nebula, and Dumbbell, ,猫眼星云,The Cats Eye Planetary Nebula as seen by HST (right) and Chandra (left),蝴蝶星云 Butterfly Nebula,沙漏星云,哑铃星云
