第三章 恒星的演化,§3.1 主序星的演化 §3.2 恒星主序后的演化 §3.3 恒星演化的观测证据,§3.1 主序星的演化,1. 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！,Russell-Vogt 原理,如果恒星处于流体静力学平衡和热平衡，而且它的能量来自内部的核反应，它们的结构和演化就完全唯一地由初始质量和化学丰度决定恒星演化时标,(1) 核时标 (nuclear timescale) 恒星辐射由核心区（约1/10质量）核反应产生的所有能量的时间 tn ＝ E/L ＝η△Mc2/L ≈ 0.7% 0.1Mc2/L ≈ (1010 yr) (M/M⊙) (L/L⊙)-1,(2) 热时标 (thermal timescale) 恒星辐射自身热能的时间，或光子从恒星内部到达表面的时间 tth ＝ (0.5GM2/R)/L ≈ (2×107yr) (M/M⊙)2 (R/R⊙)-1 (L/L⊙)-1 (3) 动力学时标 (dynamical timescale) 如果恒星的内部压力突然消失，在引力作用下恒星坍缩的时间。
td ＝ R/V ≈ (R3/GM)1/2 ≈ (27 min) (R/R⊙)3/2(M/M⊙)-1/2,恒星统计与演化,如果相同质量的恒星的演化过程基本相同，在H-R图上恒星的不同类型反映它们处于不同的演化阶段 如果恒星的诞生率和死亡率一致，在H-R图上某一类恒星数目的多少就反映了恒星在该演化阶段所停留时间的长短2. 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: 0.08 M⊙ M ~100 M⊙ 质光关系和质量-半径关系 L ~ M 2.5-4, R ~ M 0.5-1,主序星的演化,(1) 零龄主序 (zero age main-sequence star, ZAMS) 刚刚开始核心H燃烧的恒星，在H-R图上占据主序带的最左侧 (2) 演化时标 ——核反应 (4 1H→4He +γ) 时标 tn＝η△Mc2/L ≈(1010 yr) (M/M⊙) (L/L⊙)-1 ≈(1010 yr) (M/M⊙)-2.5 for M M⊙ or (1010 yr) (M/M⊙)-2 for M M⊙,不同质量主序星的演化时标,主序星的内部化学组成的变化,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。
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,核反应 →核心区粒子数n↓→P c↓ → 核心收缩R c↓ → 核心区温度Tc↑，核反应产能率ε↑ → 光度L↑ → 包层压力P↑ → 恒星半径R↑,,§3.2 恒星主序后的演化,低质量 (M 2 .25M⊙) 恒星的演化 M＝1M⊙恒星 (1) 脱离主序——亚巨星支 (subgiant branch) H-R图：恒星逐渐向右脱离主序 内部过程：核心H枯竭，体积膨胀2) 红巨星支 (red giant branch) H-R图：恒星向右上方攀升成为红巨星 内部过程：核心H枯竭 →Rc↓ → Tc↑ 核区电子简并 →壳层H燃烧 →R↑→T↓ →在恒星包层，对流传递能量 →L↑,,Structure of A Red Giant,,(3) He闪 (Helium flash) 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～108 K） →Tc↑（简并→ R c不变） →ε↑→Tc↑→() →核心He爆燃 (△t ~minutes, L ~ 1011L⊙) →电子简并解除,(4) 水平支 (horizontal branch) 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↑,,,,,(5) 渐进巨星支 (asymptotic giant branch) H-R图：恒星向右上方再次攀升成为红超巨星 内部过程： 核心He枯竭（CO核） →R c↓ →Tc↑ →壳层He和H燃烧 →L↑ R↑ T↓,,热脉冲 (thermal pulses) 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%质量） →行星状星云 + 高温简并CO核心,,,,,(6) 行星状星云的CO核心坍缩成白矮星 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 (7) 白矮星冷却 H-R图：恒星向右下方移动 内部过程： 白矮星冷却→黑矮星低质量恒星的一生,行星状星云 (planetary nebulae),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~5×104 yr螺旋星云 Helix Nebula,Ring Nebula,哑铃星云Dumbbell Nebula,Cat's Eye Nebula,沙漏星云,蝴蝶星云,The Eskimo Nebula,2．较高质量 (M 2.25M⊙) 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 He核不再是简并的，C和更重元素的燃烧可以进行 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,5M⊙恒星的演化,中等质量恒星的演化,,(3) 高质量恒星的演化,演化表现 ： 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,A Massive Star at The End of Its Life,核坍缩与超新星爆发,核心核反应停止 R c↓Tc↑,Fe核光致离解 4He光致离解 e- + p → n + νe,能量损失→ Pe↓,R c↓→Tc↑ 星核坍缩,当ρc =ρnu，核坍缩停止 →激波反弹 →壳层抛射 →II型超新星爆发 →中子星,,,,,Sequence of Events in a Supernova Explosion,Type II supernovae,超新星爆发的数值模拟,(4) 特大质量恒星的演化,星风引起的质量损失和恒星演化。
高光度恒星通常有很强的星风～10-6-10-4 M⊙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,,高质量恒星的一生,(5) 超新星 (supernovae) 和超新星遗迹 (supernova remnants),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M 51中的SN 1991T,特征： 光度L～107-1010 L⊙， Lf /LI ～ 108 爆发能E～1047-1052 ergs-1（99%中微子，1%动能，0.01%可见光） 膨胀速度v～103-104 kms-1 产物： 膨胀气壳（超新星遗迹）+ 致密天体（中子星或黑洞）,SN 1998aq in the galaxy NGC 3982,历史超新星,分类：I型（Ia, Ib/Ic）—无H线；II型—有H线 光变曲线不同,爆发机制： Ia超新星爆发：双星系统中，吸积白矮星中的C爆燃 Ib/Ic, II型超新星爆发：大质量恒星的核坍缩TWO TYPES OF SUPERNOVAE,超新星1987A,1987.2.23爆发于LMC (d = 170,000 ly)，是人类自望远镜发明以来第一颗凭肉眼发现的超新星。
前身星： Sanduleak --69°202，B3 I型蓝超巨星M ~ 20 M⊙，L ~ 105 L⊙，T ~ 16,000 K，R ~ 40R⊙,超新星1987A的光变曲线,在爆发前1.8-3小时，日本Kamioka和美国IMB的的探测仪测量到19个中微子,超新星1987A的中微子探测,超新星爆发的大部分能量被中微子带走 → 中微子辐射能5×1053 ergs → 辐射5×1058个中微子 → 爆发前20小时地球上每m2有5×1014个中微子穿过,超新星1987A的遗留物：环状星云,SN 1987A in X-ray,环状星云的结构,超新星遗迹,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 ≤ ~105 yr 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，并且由中心的脉冲星提供能源）Crab Nebula - Optical and X-ray,典型的超新星遗迹,Tycho Nebula,天鹅圈 Cygnus Loop,Puppies A,脉冲星,,不同质量恒星的演化结局,3. 恒星演化与元素合成,宇宙元素丰度,宇宙中的各种元素是如何形成的？,宇宙元素丰度,2. 原初元素—H, He和少量的Li, B, Be，形成于宇宙大爆炸初期。
3. 恒星内部的核合成 (nuclear synthesis),恒星演化与元素合成,比Fe峰元素更重元素的形成—中子俘获 反应 (Z, A) + n → (Z, A+1) +γ β衰变：(Z, A+1) → (Z+1, A+1) + e- +,1) 慢过程 (s-process) 中子俘获过程比β衰变慢 发生在恒星内部， 形成 → 209Bi（铋）元素2) 快过程 (r-process) 中子俘获过程比β衰变快 发生在超新星爆发， 形成→ 251Cf（锎）元素§3.3 恒星演化的观测证据,1. 星团(star cluster)及其H-R图 恒星在天空中的分布有聚集成团的现象昴星团（Pleiades）,疏散星团 (open clusters),The M7 Open Star Cluster in Scorpius,Omega Centauri,球状星团 (globular clusters),Peering into the Core of the Globular Cluster Omega Centauri by HST,星团的H-R图,昴星团（Pleiades）,Omega Centauri,(2) 星团H-R图和理论H-R图的比较,星团中的恒星具有相同的距离、年龄和初始化学组成，但成员星的质量不同，因而演化的速度有快有慢。
星团中的恒星按照质量大小的次序先后脱离主序星团的演化模拟结果,不同星团在H-R图上的分布,赫氏空隙 星团在H-R图上脱离主序点 (turn-off point) 的位置反映了它们的年龄和距离,,,,2. 脉动变星 (pulsating variables),星体发生有节律的、大规模运动而使亮度发生变化的恒星1) 造父变星 (Cepheid variables) 周期性脉动变星P ~ 1-50 d 原型：造父一（仙王δ） P = 5.4 d,,造父变星的特点 质量3-10 M⊙ 的F-K型巨星或超巨星（核心He燃烧） 位于H-R图上主序上方的造父不稳定带造父变星的光变主要来自表面温度的变化，且与半径变化反位相（半径变化5-10%）分类 I型（经典）造父变星（星族I） II型（室女W）造父变星（星族II） 天琴RR型星（星族II） 脉动原因： 恒星演化到一定阶段，内部出现不稳定性，引力和压力失去平衡 恒星脉动主要是包层的周期性膨胀和收缩，不涉及恒星的核心在正常情况下：κ~ρT -3.5 R↓→T↑(ρ↑。