恒星演化和白矮星

1、 恒星演化恒星的一生始終處在向內(nèi)收縮和向外膨脹的矛盾之中。主序星階段恒星是靠其內(nèi)部氫核聚變反應(yīng)提供能源而維持平衡的。 2，由于恒星內(nèi)部含有大量的氫，氫核聚變反應(yīng)可進(jìn)行相當(dāng)長的時(shí)間間，所以恒星在主序星階段停留時(shí)間很長。 3，質(zhì)量不同的恒星在主序星階段的時(shí)間很不相同。質(zhì)量愈大的恒星氫消耗得愈快，在主序星階段停留的時(shí)間就愈短。恒星穩(wěn)定的條件 紅巨星的由來只有恒星中心的溫度滿足發(fā)生氫核聚變的條件。中心部分的氫燃燒完后，都變?yōu)楹ぴ?。氦核聚變要求更高的溫度，由于溫度不夠，熱核反?yīng)暫時(shí)停止，由于沒有輻射，輻射壓大大降低，導(dǎo)致引力大于向外的壓力。 恒星將會(huì)因抗衡不住引力而收縮。收縮的結(jié)果導(dǎo)致中心部分溫度大增

2、，使氦能發(fā)生聚變反應(yīng)，產(chǎn)生大量的輻射，加熱中心區(qū)的外圍大氣，使恒星外層向外膨脹。3，恒星中心部分以外的區(qū)域由于溫度的增高又開始?xì)浜司圩兎磻?yīng)，并且核反應(yīng)迅速向外層轉(zhuǎn)移，推動(dòng)外層膨脹，使得恒星體積很快增大上千倍以上。 由于溫度下降，顏色變紅。這樣，這顆恒星就變成又大又紅的紅巨星。中心區(qū)的氫全部聚變?yōu)楹?，坍縮升溫導(dǎo)致氫外殼燃燒不同質(zhì)量恒星的演化到主序星所需要的時(shí)間不同15個(gè)太陽質(zhì)量：16萬年5個(gè)太陽質(zhì)量： 70萬年1個(gè)太陽質(zhì)量： 3000萬年0.5個(gè)太陽質(zhì)量：1億萬年原恆星的質(zhì)量是其演化到主序星的決定性因素 問題討論 質(zhì)量大（如16個(gè)太陽質(zhì)量）的恒星和質(zhì)量?。ㄈ?個(gè)太陽質(zhì)量）的恒星誰的壽命長？ 統(tǒng)計(jì)

3、答案：1，大質(zhì)量的恒星壽命長：2，小質(zhì)量恒星的壽命長： （在第七章解釋）4，白矮星的形成及其質(zhì)量上限 勤奮好學(xué)的錢德拉塞卡 1910年10月19日出生于巴基斯坦的拉合爾。后來進(jìn)入馬德拉斯大學(xué)學(xué)習(xí)物理和數(shù)學(xué)。1930年他20歲時(shí)以全班第一的成績大學(xué)畢業(yè)。 在他上大學(xué)時(shí)，正值物理學(xué)從經(jīng)典到近代物理學(xué)轉(zhuǎn)變的時(shí)期。新的理論，新的學(xué)說和新的概念一個(gè)接一個(gè)的出現(xiàn)。 1915年愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論 1911年，盧瑟福提出了原子模型 1925年春，泡利（25歲）提出新的物理學(xué)原理不相容原理，他為此在1945年榮獲諾貝爾物理獎(jiǎng) 20年代中期，量子統(tǒng)計(jì)學(xué)誕生了 年青的大學(xué)生錢德拉塞卡自學(xué)這些最新發(fā)展起來的近代

4、物理學(xué)說。從17歲開始就試圖用物理學(xué)的知識(shí)來解決天文學(xué)上的難題。當(dāng)他18歲時(shí)候就有一篇題為“ 康普頓散射和新統(tǒng)計(jì)學(xué)”論文發(fā)表在1928年的皇家學(xué)會(huì)論文集上。 錢德拉塞卡1930年7月31日大學(xué)畢業(yè)后，被劍橋大學(xué)錄取為研究生。 1934年，他完成了兩篇白矮星的學(xué)術(shù)論文。得出始料未及的重要結(jié)果： 白矮星的質(zhì)量越大，其半徑越??； 白矮星的質(zhì)量不會(huì)大于太陽質(zhì)量的 1.44倍； 這一成就，成為錢德拉塞卡獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的原因之一。 高密白矮星提出的難題 天狼星伴星的平均密度比1噸/厘米3還要高。成為一個(gè)令人困惑的問題。 在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)原理還不能解釋白矮星的高密狀態(tài)是怎樣形成的。白矮星的觀測發(fā)現(xiàn)走在理論

5、的前面，使得當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家無言以對(duì)。白矮星的形成（1） 在紅巨星階段，恒星內(nèi)部溫度超過一億度，核心部分以氦聚變?yōu)橹?，燃燒進(jìn)程非?？欤◣兹f年，甚至幾千年），氦很快就枯竭了。中心坍縮形成白矮星。 這個(gè)過程是逐漸的，不會(huì)象超新星那樣劇烈地爆炸。 白矮星的形成（2） 白矮星是熱核反應(yīng)停止以后恒星的一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。 熱核反應(yīng)一停止，引力便占上風(fēng)，恒星就要收縮，直到有一種能與引力抗衡的力出現(xiàn)，才能使恒星穩(wěn)定下來。 這個(gè)力就是簡并電子氣的壓力，簡稱簡并壓力。比通常的理想氣體壓力大得多。 白矮星的形成（3） 由于熱核反應(yīng)停止，輻射壓大大降低，導(dǎo)致恒星坍縮，溫度升高，密度加大。原子核外的電子全部電離，變成赤裸裸的

6、原子核，所有電子都成為自由電子。恒星的體積突然變小。 強(qiáng)大的簡并電子氣壓 泡利不相容原理：電子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的，只能取某些特定的值。同一個(gè)狀態(tài)，只能允許一個(gè)電子占有。電子能量從低向高排列，低能態(tài)的占滿了，就只能到高能態(tài)去。 電離吸收線發(fā)射線氫原子能級(jí)、發(fā)射線、吸收線和電離泡利不相容原理能級(jí)1能級(jí)2自旋朝下自旋朝上客滿客滿 當(dāng)電子密度很高時(shí)，必然有很多電子處在高能態(tài)。具有非常高的速度，產(chǎn)生非常高的簡并電子氣壓。 理想氣體物態(tài)方程與簡并 氣體物態(tài)方程的區(qū)別理想氣體：P ()RT 是溫度的函數(shù)簡并氣體： 非相對(duì)論性 相對(duì)論性 均與溫度無關(guān)3/53/5VNP3/43/4VNp 電子具有非常高速度并

7、不是因?yàn)闇囟雀?，而是因?yàn)榈湍軕B(tài)已被別的電子占據(jù)了，其它的電子只能跑到高能態(tài)上去。因此高能電子數(shù)目的多少取決于密度，而不是溫度。 總結(jié)：白矮星的形成1，恒星晚期核燃料用完或其它燃料不能點(diǎn)燃，輻射壓減少很快，引力大大超過輻射壓，導(dǎo)致恒星坍縮。2，坍縮導(dǎo)致密度增加，溫度升高，氣體全部電離，變?yōu)樽杂呻娮雍吐阍雍恕?，自由電子遵從量子力學(xué)規(guī)律，具有非常大的速度，產(chǎn)生強(qiáng)大的簡并電子氣壓，足以和引力抗衡，形成穩(wěn)定的白矮星。35 MR白矮星質(zhì)量公式質(zhì)量越大，半徑越小與一般恒星的情況相反半徑白矮星質(zhì)量與半徑的關(guān)系 相對(duì)論簡并電子氣 （前面討論的是非相對(duì)論簡并電子氣） 當(dāng)密度更高時(shí)，大多數(shù)簡并電子處于更高的能級(jí)

8、上，其速度接近光速而成為相對(duì)論性簡并電子。 這時(shí)的物態(tài)方程發(fā)生了變化，白矮星的質(zhì)量與半徑的關(guān)系消失了。不可能通過白矮星的半徑的自動(dòng)調(diào)節(jié)來達(dá)到平衡。 白矮星質(zhì)量上限 當(dāng)坍縮后的恒星質(zhì)量超過一定的限度后，密度再加大，簡并電子氣就變?yōu)橄鄬?duì)論性的了，就不可能形成穩(wěn)定的白矮星。 因此，白矮星有一個(gè)質(zhì)量上限。 錢德拉塞卡推出上限值為1.44個(gè)太陽質(zhì)量。這是一項(xiàng)天文學(xué)上重要的成就，是獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的原因之一。 超過上限后是什么？ 在1935年，無論是錢德拉塞卡本人還是其他科學(xué)家都還不知道質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限的老年恒星的演化歸宿是什么。 現(xiàn)已公認(rèn)，質(zhì)量比較大的老年恒星不可能會(huì)演變成白矮星，它們最終將演化為

9、密度比白矮星更大的天體中子星或者黑洞。 5，行星狀星云恒星死亡前的精彩亮相， 死亡后漂亮的壽衣1789年人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)的行星狀星云天琴座環(huán)狀星云(M57) 行星狀星云的名字有誤 1798年英國天文學(xué)家赫歇爾用48cm望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)天琴座環(huán)狀星云。望遠(yuǎn)鏡太差，看不清楚。只是看出一個(gè)邊緣比較清晰的小圓面，和天王星比較像，因此就叫它為行星狀星云。行星狀星云和行星根本沒有關(guān)系。 行星狀星云的觀測特性 比較暗，在星云中心大都有一顆溫度 高的恒星（白矮星） 大多呈繞中心星對(duì)稱的圓環(huán)狀或圓盤狀 是氣體星云，由中心星的紫外線激發(fā)發(fā)光 都在不斷膨脹，速度約為1050千米/秒 內(nèi)部物質(zhì)稀薄，邊緣稠密 行星狀星云紅外

10、輻射強(qiáng)，和紅巨星類似 行星狀星云復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形成 紅巨星的大氣逃離速度10千米/秒，經(jīng)過幾百萬年把紅巨星的大部分大氣帶走，使中心星裸露出來。 中心星是白矮星，其星風(fēng)速度很快，可達(dá)2000千米/秒。很快就趕上紅巨星以前跑掉的物質(zhì)。 兩種星風(fēng)相互作用就形成行星狀星云的氣殼和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。6，白矮星的質(zhì)量上限 的爭論和錢德拉塞卡 榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 白矮星的質(zhì)量上限 錢德拉塞卡白矮星理論是全新的理論，特別是他提出白矮星的質(zhì)量上限的問題更是新穎。1934年他完成兩篇白矮星的論文，提交給英國皇家天文學(xué)會(huì)。1935年1月學(xué)會(huì)召開了學(xué)術(shù)會(huì)議，讓他介紹研究成果。其中最重要的是提出白矮星有質(zhì)量上限。 愛丁頓 愛丁頓

11、是那個(gè)時(shí)代著名的天文學(xué)家之一，大權(quán)威。他利用日全食的機(jī)會(huì)成功地驗(yàn)證了廣義相對(duì)論關(guān)于星光經(jīng)過太陽附近產(chǎn)生偏折的預(yù)言，成為劃時(shí)代意義的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。他對(duì)恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)理論做出了巨大的貢獻(xiàn)，成為這一理論的奠基人。 愛丁頓的批評(píng) 愛丁頓完全否定他的“ 白矮星有一個(gè)質(zhì)量上限” 的報(bào)告。他說，根本不存在什么相對(duì)論簡并性，白矮星的質(zhì)量上限是計(jì)算錯(cuò)誤導(dǎo)致的。 會(huì)議主席不給錢德拉塞卡答辯的機(jī)會(huì)，反而要求他感謝愛丁頓的批評(píng)。 愛丁頓再次批評(píng) 同年7月，國際天文學(xué)會(huì)在巴黎召開代表大會(huì)，錢德拉塞卡和愛丁頓又見面了。 會(huì)上，愛丁頓主動(dòng)出擊又一次激烈地批評(píng)錢德拉塞卡的白矮星理論。 錢德拉塞卡仍然機(jī)會(huì)在會(huì)上申辯。 愛丁頓的觀點(diǎn)

12、他深信，他已經(jīng)證明恒星無論其質(zhì)量是多大，都可以達(dá)到某種穩(wěn)定的狀態(tài)。普通恒星的質(zhì)量可大可小，而白矮星這種老年恒星的質(zhì)量為什么就不能超過錢德拉塞卡極限呢？ 錢德拉塞卡勝了 1939年8月，國際天文學(xué)會(huì)在巴黎召開學(xué)術(shù)會(huì)議專門討論白矮星和超新星問題。錢德拉塞卡在大會(huì)上報(bào)告公開指出愛丁頓理論的錯(cuò)誤所在，贏得了許多人的支持。不少物理界著名學(xué)者都支持他。 他白矮星理論終于得到了承認(rèn)。 觀測證實(shí)白矮星有質(zhì)量上限 目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)白矮星一千多顆，它們的質(zhì)量都沒沒有超過1.44太陽質(zhì)量的錢德拉塞卡極限。沒有一個(gè)例外。 它們的質(zhì)量和半徑關(guān)系完全遵從錢德拉塞卡推算出的理論曲線。 愛丁頓錯(cuò)了 他不理解錢德拉塞卡提出的白矮星質(zhì)量上限的理論。原因是他剛剛發(fā)展起來的近代物理學(xué)的新原理麻木不仁。自己不理解，還要壓制新生事物。 這是一個(gè)典型的年青人超過權(quán)威學(xué)者的例子。 學(xué)者風(fēng)度 錢德拉塞卡并不記恨于愛丁頓。他們之間還建立了友好的關(guān)系，經(jīng)常通信交流。 在愛丁頓逝世時(shí)，他出席追悼會(huì)，發(fā)表了感情真摯的悼詞。還出版一本題為愛丁頓的小冊(cè)子，紀(jì)念愛丁頓百年誕辰。 全面的貢獻(xiàn) 錢德拉塞卡對(duì)天體物理學(xué)的貢獻(xiàn)是全面的，在恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)理論方面，恒星和行星大氣的輻射轉(zhuǎn)移理論，星系動(dòng)力學(xué)，等離子體天體物理學(xué)，宇宙磁流體力學(xué)和相對(duì)論天體物理學(xué)等方