恒星演化的一些信息

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1、一、恒星的信息恒星离我们非常遥远，除了太阳以外，最近的恒星是半人马座比邻星距离太阳约4.2 光年。恒星的光实在是太微弱了，即使看起来全天最亮的天狼星的光，也仅仅是太阳光的 100W分之一，用普通的望远镜无法分辨出恒星的视面，也不可能了解恒星内部的情况。1825年，当时法国哲学家断言，恒星的化学组成是人类绝对不能得到的知识。但是30 年后，天体分光术和照相术的发明，使得天文学家有了重大突破。方法就是将恒星光通过望 远镜和分光镜，分解成连续光谱，再把这些光谱拍照下来进行分析研究。在这些光谱中有众多的谱线，它们都是由不同的元素产生，由它们我们可以了解到恒星 表面大气层的温度、压力、密度、化学元素丰度

2、、质量、体积、自转运动、距离和空间运动 等一系列物理化学性质。这就导致了恒星物理化学、天体物理学的诞生。二、恒星的光谱每颗星光谱的谱线数目、分布、强度等情况均不一样。这些特征包含着恒星的许多化学 信息，天文学家开创了研究恒星物理化学的新纪元，从此诞生了天体物理学。也出现了后来的赫罗图。 根据恒星光谱型和光度的关系建立的三、恒星的大小天文学一般采用干涉法和月掩星法等方法，可以测出恒星的角直径。天文学家根据双星 的轨道资料也可以得到某些恒星的直径，也可以根据一些恒星的光度和温度来推算其直径。热核反应成为了长期维持恒星能量消耗的主要能源。在其生命中主要的产能方式是4个氢原 子核聚变为一个氦原子的核反

3、应。氦是恒星“烧完的灰渣”碳则是“燃烧”过程的催化剂。 更进一步的研究发现在核心氢燃尽后，形成的氦又可以聚变产能，但是维持的时间则要短的 多了。恒星的运动恒星的空间运动速度可以分成两个分量：与视线方向相垂直的成为切向速度，与视线方向一 致的称为视向速度。视向速度又分为向太阳而来和离太阳而去两种。恒星在天球背景上每年移动的角距，称为恒星的自行。每颗恒星都有自己运动的方向。恒星演化 stellar evolution恒星形成后，在引力、压力和核反应的作用下，恒星结构岁时间而变化，直至能量耗尽，变 为简并星或者黑洞的过程。恒星演化就是一颗恒星诞生-成长-成熟-衰老-死亡的过程。恒星演化史一个十分缓慢

4、的过程。天文学家根据对各种各样的恒星的观测和理论研究，弄清 楚了恒星的一生是怎么从孕育到诞生，再从成长到成熟，最后到衰老、死亡的整个过程，恒 星演化论，是天文学中，关于恒星在起生命期内演化的理论。由于引力的控制，恒星演化的总趋势总是密度增大（在图中向下移动），而质量丢失、碎裂、 不稳定或爆炸等现象使其质量减小（在图中向左移动）。恒星的演化必定以三种可能的冷态 之一为终结：白矮星、中子星、黑洞质量非常小（小于一个太阳质量）的原始星的温度不会到达足够开始核聚变的程度，它们会 成为棕矮星，在数亿年的时光中慢慢变凉。大部分的质量更高的原始星的中心密度会达到1千万K摄氏度，这时氢会开始聚变成氦，恒星开始

5、自行发光。核心的核聚变会产生 足够的能量停止引力坍缩，达到一个静态平衡。恒星从此进入一个相对稳定的阶段。如果恒星附近仍有残留的巨分子云碎片，那么这些 碎片可能会在一个更小的尺度上继续塌缩，成为行星、小行星和彗星等行星际天体。如果巨 分子云碎片形成的恒星足够接近，那么可能形成双星和多星系统。中年（主序星）恒星有不同的颜色和大小。从高热的蓝色到冷却的红色，从0.5个太阳质量到20个太阳质 量。恒星的亮度和颜色依赖于其表面温度，而表面温度则依赖于恒星的质量。大质量的恒星需要比较多的能量来抵抗外壳的引力，燃烧氢的速度也快得多。恒星形成以后会落在赫罗图的主序星的特定点上。小而冷的红矮星会缓慢地燃烧氢，可

6、能在 此序列上停留数千亿年，而大而热的超巨星会在仅仅几百万年之后就离开主序的行列。像太阳这样中等恒星会留在此序列上停留一百亿年，太阳也位于主星序上，被认为是处于中 年期。在恒星燃烧完核中心的氢之后，就会离开主星序。成熟（红巨星/超巨星）在形成几百万或者几千亿年以后，恒星会消耗完核中心的氢。大质量的恒星会比小质量 的恒星更快的消耗完核心的氢。在消耗完核中心的氢之后，核心部分的核反应会停止，而留下一个氦核。失去了抵抗重 力的核反应能量之后，恒星的外壳开始引力坍缩。核心的温度和压力像恒星形成过程一样升 高，但是实在一个更高的层次上。一旦核心的温度达到了 1亿K摄氏度，核心就会开始进行氦聚变，重新通过

7、氦聚变产 生能量来抵抗引力。恒星质量不足以产生氦聚变的会释放热能，逐渐冷却，成为白矮星。恒星的下一步演化再一次由恒星的质量决定。晚年和死亡（白矮星/中子星/黑洞）低质量恒星低质量恒星的演化终点没有直接观察到。宇宙的年龄被认为是一百多亿年，不足以使得这些恒星耗尽核心的氢。当年的理论都是 基于计算机模型。一些恒星会在核心进行核聚变，产生一个不稳定和不平衡的反应，以及强烈的太阳风。在这种情况下，恒星不会爆发产生行星状星云，而只会耗尽燃料产生红矮星。小于0.5倍太阳质量的恒星甚至在氢耗尽之后都不会在核心产生氦反应。像比邻星这样的红 矮星的寿命长达数千亿年，在核心的反应终止之后，红矮星在电磁波的红外线和

8、微波波段逐 渐暗淡下去。中等质量恒星达到红巨星阶段，0.4-3.4太阳质量的恒星外壳会向外膨胀，而核心向内压缩，产生将氦聚 变成碳的核反应。聚变会重新产生能量，暂时缓解恒星的死亡过程。对于太阳质量大小的恒 星，此过程大约持续十亿年。氦燃烧对温度极其敏感，造成很大的不稳定性。在重力和电子互斥力平衡下，白矮星是相对稳定的。在没有外界能量来源的情况下，恒星在 漫长的岁月中释放出剩余的能量，逐渐暗淡下去。最终，释放完能量的白矮星会变成黑矮星。在同时形成的双星或者多星系统中，恒星际质量交流可能改变演化过程。因为一部分质量被 其他恒星获得，系统中质量较大的恒星的红巨星阶段演化会被加速，而质量较小的恒星会吸

9、 收一部分红巨星的质量，在主星序停留的时间更长。例如：天狼星的伴星就是一颗年老的大约一个太阳质量的白矮星，但是天狼星是一颗大约 2.3个太阳质量的主序星。如果白矮星的质量超出了钱德拉塞卡极限，电子互斥力会不足以抵抗引力，而会继续坍缩 下去。这样就会造成恒星向外抛出外壳，也就是超新星爆发，标记着恒星的死亡。也就是说，不会有大于1.4倍 太阳质量的白矮星。如果白矮星和另外一颗恒星组成双星系统，那么白矮星可能使用来自另外一颗恒星的氢进 行核反应并且将周围的物质加热抛出，即使白矮星的质量低于1.4倍太阳质量。这样的爆 炸成为新星。大质量恒星质量在超出5倍太阳质量的恒星外壳膨胀成为红超巨星之后，其核心开

10、始被重力压缩， 温度和密度的上升会出发一系列聚变反应。聚变反应会生成越来越重的元素，产生的能量 会暂时延缓恒星的坍缩。最终，聚变会逐步到达元素周期表的下层，硅开始聚合成铁。在这之前，恒星可以通过核聚 变获得能量，但是铁不能通过核聚变释放出能量，相反，铁聚变需要吸收能量。这会造成没 有能量来对抗重力，核心几乎会立刻产生坍缩。恒星再往下演化的机制就不明确了，但是这会在几分之一秒内造成一次剧烈的超新星爆发。和轻于铁的元素同时被抛出来的还有中微子，共同形成了一个冲击波，在被抛出的物质吸收 后，会形成一些比铁重的放射性元素，其中最重的是铀，如果没有超新星的爆发，铁元素 就是相对分子质量最大的元素。中微子

11、 将会冲击被抛出的物质，其中被抛出的物质可能和彗星带碰撞，形成新的恒星、行 星和卫星，或者成为各种各样的天体。中子星在一些超新星中，电子被压入原子核，和质子结合成为中子。使得原子核相互排斥的电磁力 消失之后，恒星成为一团密集的中子，这样的恒星被成为中子星。质量要求：坍缩的内核质量超过1.44倍太阳质量，小于3.2倍太阳质量。它的大小不会超过一个大城市，但是极其致密。由于大部分角动量残留在恒星中，因此它 们的自转会极快，有些甚至可以达到每秒钟600转。恒星的辐射会被磁场局限在磁轴附近，随着恒星旋转。在这种情况下，如果磁轴在自转中对准地球，那么在地球上每次自转过程中都会观测到一 次恒星的辐射。这种

12、中子星被成为脉冲星。黑洞被广泛承认并非所有超新星都会形成中子星。如果恒星质量足够大，那么连中子也会压碎, 直到恒星的半径被压缩到史瓦西半径，成为一个黑洞。质量要求：坍缩的内核质量超过3.2倍太阳质量。斯蒂芬.霍金（stephen hawking）结合广义相对论和量子力学预测了黑洞的存在在多年天文学家的努力下，成功观测到了行星在不明引力场的影响下改变轨迹，从而推论出 黑洞的存在。虽然根据广义相对论，没有任何物质或者信息可以从黑洞逃出，但是量子力学允许一些例外 （在特定条件下物质发生“tunnel”现象，物质能够通过一条假想的隧道穿过障碍）。黑洞 的存在已经被绝大部分天文学家支持。各种年龄的恒星内

13、部发生着各种热核反应；恒星演化过程会发生一系列的热核反应，轻元素 逐渐向重元素转化，逐渐改变恒星的成分，改变恒星的内部状态，并且，发生这些热核反应 所需要的温度也越来越高。恒星内部热核反应所需要的能量以对流、传导和辐射的方式传输出来。由于大部分恒星的物质是气态的，热传导的作用不大，只有内部极其致密的特殊恒星（例如 白矮星），内部热传导才比较显著。大多数的恒星内部主要是依靠辐射来传输核反应所产生的能量。对流传输能量的速度比辐射快得多，但是不同质量的恒星，对流层的位置和厚度很不一样。由于引力的控制，恒星演化的总趋势是密度增大，而质量丢失、碎裂、不稳定或爆炸等现象 使其质量减小。质量小于MS的-白矮星质量更大的-中子星质量更大的-燃烧成为铁之后最终成为黑洞钱德拉塞卡极限质量小于1.44倍太阳质量的恒星将会演化成白矮星。钱德拉塞卡极限Chandrasekhar limit是白矮星的一种极限质量。当白矮星的质量超过这个值时，它的核心电子简并压并不能支撑 外层负荷。假定白矮星是无自转，且平均分子质量为2时，此极限值为太阳质量的1.44倍