《恒星演化与核合成 南京大学天文学彭秋和》由会员分享，可在线阅读，更多相关《恒星演化与核合成 南京大学天文学彭秋和（97页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、恒星演化与核合成恒星演化与核合成(彭秋和彭秋和) 1.有关恒星物理的基本预备知识有关恒星物理的基本预备知识 2.恒星结构恒星结构的的多层球理论多层球理论 3. 恒星的热核演化恒星的热核演化 4. 两类超新星及其爆发机制两类超新星及其爆发机制 一、超新星一、超新星(SN)分类分类 观测上的区别观测上的区别 二、二、SNII 爆发图象及其爆发理论上的困难爆发图象及其爆发理论上的困难 三、三、SNIa爆发图象及其爆发理论上的疑难问题爆发图象及其爆发理论上的疑难问题 1.有关恒星物理的基本预备知识有关恒星物理的基本预备知识 亮度与星等亮度与星等 恒星表面的有效温度恒星表面的有效温度 色温度与恒星的颜色
2、色温度与恒星的颜色 恒星的光谱型恒星的光谱型 赫罗图赫罗图 亮度与星等亮度与星等 视星等视星等(m): 把肉眼看到的恒星视亮度分为把肉眼看到的恒星视亮度分为6个星等个星等, m = 0,1,2愈亮的星愈亮的星, 星等值愈小。星等值愈小。 视星等相差视星等相差5等等, 亮度相差亮度相差100倍。倍。 绝对星等绝对星等(M): 设想把所有恒星都放在离地球设想把所有恒星都放在离地球10pc距离上处，它们的距离上处，它们的 视星等数值视星等数值 (1pc(秒差距秒差距) =3.26 光年光年 3.011018cm) 2 d4 L I = L 光度光度; I 照度照度(视亮度视亮度); d 距离距离 )
3、,(log55dlbAdmM+= (A(b,l,d)星际消光的改正星际消光的改正) 2.5log( /)4 .26 m ML LMM = += 恒星表面的有效温度恒星表面的有效温度 恒星光球辐射近似可看为绝对黑体辐射恒星光球辐射近似可看为绝对黑体辐射。由斯提芬由斯提芬-波尔波尔 兹曼定律兹曼定律 (R: 恒星半径恒星半径) 由此定义恒星表面有效温度由此定义恒星表面有效温度T eff。其中斯提 其中斯提 芬芬-波尔兹曼常数为波尔兹曼常数为 = 5.6710-5ergcm-2K-4sec-1 通常，天文学家通过恒星光谱的观测与分析，可以很好地通常，天文学家通过恒星光谱的观测与分析，可以很好地 确定
4、恒星表面的色温度。确定恒星表面的色温度。 42 4 eff TRL= Wein位移定律位移定律 Rigel 参宿七 Betelgeuse 猎户星座中 的一等星 色温度色温度 (The Color Temperature) max 0.51T 恒星的颜色反映 了恒星的表面温 度的高低。 温度越高（低）， 颜色越蓝（红）。 恒星的颜色恒星的颜色: Teff Blue-violet 30,000 blue 20,000 white 10,000 yellow white 7000 yellow 6000 orange 4000 red 3000 865 . 0 K 8540 + = c T VBc=
5、 色指数色指数 色温度色温度 较准确的经验公式为：较准确的经验公式为： 主序星K 68 . 0 )( 746 + = VB Te 巨 星 9000 K () 1.15 e T BV = + 若是严格的黑体辐射。则色温度=有效温度，但往往二者 有差别，一般定义的色温度都略高于有效温度，特别当 恒星表面温度非常高时。 Other temperature - color relation: T = 8065 - 3580 (B-V) (1.0 - 0.196 Fe/H); (0.3 化学成分的函数 (1克物质克物质)产能率产能率 222 3.5 7.53 10.(6 )/ ffff e gXYZcm
6、g T =+ 不透明度不透明度(1克克)物质对辐射能的平均吸收系数物质对辐射能的平均吸收系数) ; 例例: 自由自由-自由吸收自由吸收: P 压强压强; 密度密度; m(r) 质量质量; T 温度温度; L 光光 度度 G 引力常数引力常数, a 辐射常数辐射常数, C 光速光速 续续 4 2 ( )161 ( )(1) ( )3 L rcGT r m rP 稳定辐射平衡 不稳定,出现对流 n KKP 1 1+ = 1 1 = n 状态方程状态方程 四个微分方程四个微分方程+ 状态方程状态方程5个因变量个因变量:P(r), (r), m (r), L (r), T(r) 方程封闭。边界条件方程
7、封闭。边界条件: 1)中心中心(自然自然)边界条件边界条件:m(r=0) = 0; L(r=0) =0 2)表面边界条件表面边界条件:T(R) = Teff ; P(R) =光球层底部压强光球层底部压强 在给定各个参数情形下，数值计算恒星的结构与演化。在给定各个参数情形下，数值计算恒星的结构与演化。 多方指数多方指数 ; n 多方指标多方指标 状态方程状态方程 n KKP 1 1+ = ()MBA ee e N k Pn kTT = () 2/3 2 5/3 ()5/313 , 3 1.0 10/5/3 20 DG e NRee e h Pn m = ()154/3 , 1.24 10 ()4
8、/3 DG e R e P = 经典理想气体经典理想气体 非相对论强简并电子气体压强非相对论强简并电子气体压强 相对论强简并电子气体压强相对论强简并电子气体压强 电子简并条件电子简并条件: ()()DGMB NR PP 3/ 2 48 2.4T 438 48 /(10/)/10g cmTTK= e电子平均分子量电子平均分子量 电子电子(Fermi)简并简并(Pauli原理原理) 热力学稳定性热力学稳定性(Viril定理推论定理推论) P = K ( 一般为推广的绝热指数一般为推广的绝热指数) 4/3 系统稳定系统稳定 库仑 EkTnuc MeV A ZZ R eZZ E nuc 3 1 21
9、2 21 20 库仑 )10)21 ( 4 点燃核燃烧的恒星质量下限点燃核燃烧的恒星质量下限 推论推论:只有当恒星质量大於某一确定值时只有当恒星质量大於某一确定值时 t nuc EMM 1 库仑 它才可能点燃相应的热核燃烧。它才可能点燃相应的热核燃烧。 随着参与反应的原子核的核电荷增长随着参与反应的原子核的核电荷增长,其间库仑位垒迅速增加其间库仑位垒迅速增加, 上式上式 中的中的Mnuc也随之增加。也随之增加。 因而，质量不太大的恒星内部只能点燃某些因而，质量不太大的恒星内部只能点燃某些 轻核的热核反应而不能点燃较重原子核的核燃烧。也就是说，它们轻核的热核反应而不能点燃较重原子核的核燃烧。也就
10、是说，它们 的核燃烧是不完全的。的核燃烧是不完全的。 电子简并压强在星体热核演化的重要作用电子简并压强在星体热核演化的重要作用 在原始恒星中在原始恒星中,小质量恒星的中心密度较高。随着形成恒星的星云小质量恒星的中心密度较高。随着形成恒星的星云 引力收缩引力收缩, 原始恒星中心温度不断上升的同时，其中心密度也随着原始恒星中心温度不断上升的同时，其中心密度也随着 进一步增加。所以，进一步增加。所以， 对于质量太小的恒星对于质量太小的恒星(例如，当恒星质量低于例如，当恒星质量低于 0.07 M 时 时)，当它们的中心温度尚未上升到氢燃烧的点火温度，当它们的中心温度尚未上升到氢燃烧的点火温度 (1.0
11、107K )时时, 其物质密度也因星体收缩而远远超过了电子简并条其物质密度也因星体收缩而远远超过了电子简并条 件的密度值件的密度值 2 3 8 4 ) 10 (108 . 2 K T D = 此后星体内电子简并压强已足以抗拒星体自引力的压缩，恒星不再此后星体内电子简并压强已足以抗拒星体自引力的压缩，恒星不再 收缩，其中温度也不会再升高。因而其中心温度始终低于氢燃烧的收缩，其中温度也不会再升高。因而其中心温度始终低于氢燃烧的 点火温度。这些恒星内部也不能点燃前述能源序列中的任何核燃烧。点火温度。这些恒星内部也不能点燃前述能源序列中的任何核燃烧。 这些恒星的光度远远低于以核燃烧为其能源的主序星的光
12、度，这类这些恒星的光度远远低于以核燃烧为其能源的主序星的光度，这类 光度很低的恒星称为褐矮星光度很低的恒星称为褐矮星(Brown Star) 耀星和氦闪耀星和氦闪 在原始小质量恒星收缩过程中，如果其中心温度在原始小质量恒星收缩过程中，如果其中心温度 Tc达到达到H燃烧大规燃烧大规 模进行的点火温度附近时，正好物质密度也接近或达到上述简并密模进行的点火温度附近时，正好物质密度也接近或达到上述简并密 度，则由于简并物质中的热核燃烧是不稳定的，它将导致局部爆炸度，则由于简并物质中的热核燃烧是不稳定的，它将导致局部爆炸 性的性的H燃烧。不过，它并不会导致整个星体爆炸。近年来在天文观燃烧。不过，它并不会
13、导致整个星体爆炸。近年来在天文观 测上发现某些低光度恒星亮度出现短暂的闪亮，人们认为它正是这测上发现某些低光度恒星亮度出现短暂的闪亮，人们认为它正是这 种正在形成的小质量恒星在弱种正在形成的小质量恒星在弱(电子电子)简并状态下氢燃烧开始点火时简并状态下氢燃烧开始点火时 出现的氢闪现象出现的氢闪现象,称为称为耀星耀星。 对于中、小质量恒星对于中、小质量恒星( 0.5 (M/M )2.2)从从H H燃烧较平稳地转变为燃烧较平稳地转变为HeHe燃烧阶段。燃烧阶段。 恒星内部的平稳核燃烧恒星内部的平稳核燃烧 核核 燃燃 烧烧 核核 燃燃 料料 主要主要 产物产物 Tnuc (0K) g/cm3 产能率
14、产能率释能率释能率 (erg/g) 燃烧时标燃烧时标(年年) H 燃烧燃烧 1H 4He (14N) (CNO) (1-2)E7 (PP) 2.0 E7 (CNO) 102 T4(PP链链) (T7=1.4） T16.7(CNO) (T7=2.0) 6.4 E 18 1E12(0.2 M ) 1.2 E10 (1M ) 1 E7(15 M ) 1 E5 (50 M ) He 燃烧燃烧 4He12C (中小质 中小质 量恒星量恒星) 16O (22Ne) 1-3 E8103 - 104 T40 (T8=1.0) 12C+16O) 2 E5(T8=1.3) 4 E3(T8=1.5) (=1.0E4) C 燃烧燃烧 12C 20-22Ne(23Na) 24-26Mg(27Al) 28Si 8.8 E8(1-2) E5 T27 (T9=1.0) 4.0 E17 12 年年 (无对流无对流) Ne 燃烧燃烧 20Ne16O,24Mg (Mg-P ） 1.5 E91 E6T49 (T9=1.5) 1.1 E17 40 天天(无对流无对流) 几年几年(对流对流) O 燃烧燃烧 16O24Mg-32S (直到铁族元素直到铁族元素) 2.1 E9(3-5) E6 T33 (T9=2.0) 5.0 E17 6 天天 (对流对流) Si 燃烧燃烧 24Mg
