大質量恒星的演化

1、大質量恒星的演化大質量恒星的演化本講內容本講內容 大質量恒星的主序后演化 超新星與超新星遺跡 元素合成 中子星/脈沖星 黑洞（恒星級） X射線雙星 伽馬射線暴大質量恒星的演化1。 大質量恒星的演化大質量恒星的演化 大質量(38Msun)恒星與小質量恒星大相徑庭： 光度可達太陽的數千甚至數百萬倍 在短時間內消耗巨額核燃料，主序壽命顯著變短 不同的演化和歸宿仍然受相同的物理規(guī)律支配，即引力和壓力的平衡, 以及決定這種平衡的核反應率 內部溫度更高，恒星內部H燃燒通過CNO循環(huán)進行，輻射壓對維持恒星的力學平衡起更大作用 He核不再簡并，C和更重的元素可以平穩(wěn)燃燒。核心區(qū)核反應所產能量主要以對流方式向外

2、傳輸大質量恒星的演化主序階段H燃燒：CNO循環(huán)循環(huán) 凈反應:12C + 41H + 2e- 12C + 4He + 2v + 7 大質量恒星主序階段，在H聚變?yōu)镠e的反應中， C僅作為一種催化劑 N和O只是中間反應產物大質量恒星的演化兩類H聚變：溫度的函數 質子鏈和 CNO 循環(huán)這兩種反應的產能率是溫度（質量）的函數 M 1.5 Msun （T1.8 千萬K）主序恒星，兩類H聚變都在發(fā)生，但CNO循環(huán)遠比質子鏈有效 M 1.5 Msun （T= 8x108 K C 開始燃燒 C燃燒產生大量重元素：鈉、氖、鎂 結構：C核燃燒 + He殼層燃燒 + H殼層燃燒 + 大質量恒星的演化重元素依次燃燒重

3、元素依次燃燒 當核心C枯竭 氖Ne燃燒 + C、He、H殼層燃燒 + 當氖枯竭 氧燃燒 + Ne、C、He、H殼層燃燒 + 當氧枯竭 大質量恒星的演化演化的大質量恒星內部結構類似洋蔥大質量恒星的演化脈動變星 Pulsating variable stars 主序恒星是穩(wěn)定的 但主序后恒星并非如此，周期性交替變大變小，視為脈動變星 造父變星（Cepheid variables）：最高質量最亮的脈動變星 原型：Delta Cepheid 周光關系：測量鄰近星系的距離 天琴座RR星變星 （RR Lyrae variables）：不穩(wěn)定的HB星（小質量恒星）大質量恒星的演化大質量恒星的演化大質量恒星有

4、高速星風 Eta Carinae （船底座7） M = 100Msun L = 3x106Lsun HST：拋射的塵埃云在膨脹 恒星基本被周圍塵埃遮擋 目前質量丟失率: 10-3Msun/年 19世紀(第二亮恒星)噴發(fā)：0.1Msun/年；2Msun in 20年 雙星（90 和30Msun）？大質量恒星的演化Fe 是熱核聚變所能合成的最重元素 結合能：把原子核分開所需的能量。不同原子核的結合能不同 燃燒必須釋放能量：靜能量 = 產物結合能 反應物結合能Fe原子核的結合能最大 鐵不會燃燒大質量恒星的演化重元素燃燒：高核反應率 結合能的不同 最有效的熱核反應是 HHe （0.7%） （HeC 的

5、能量轉換效率只有 HHe 的1/10，） 為了平衡引力，低能量轉換效率的燃燒，單位時間必須消耗更多的燃料 而且，H 和 He燃燒時，能量以較慢的輻射/對流方式向外傳輸。但C、O、 燃燒時，大量能量則以快速的中微子冷卻方式向外傳輸 恒星向內收縮 增加內部的密度和溫度 更劇烈的反應率 大質量恒星的演化核燃燒持續(xù)時間快速減少 對 9 M 恒星： H燃燒 持續(xù)時間 2千萬年 He燃燒 持續(xù)時間 2百萬年 C燃燒 持續(xù)時間 380年 Ne燃燒 持續(xù)時間 1.1年 O燃燒 持續(xù)時間 8月 Si 燃燒 持續(xù)時間 4天 Si 燃燒的能量釋放率是He燃燒的約2億倍！但光度可能僅增加少許（中微子冷卻）大質量恒星的

6、演化鐵核開始坍縮 大質量恒星中心的Fe核開始坍縮 Fe核的密度、溫度和引力飛速上升 中心Fe核電子簡并為地球大小 當電子簡并壓也不能支持引力 Fe核繼續(xù)坍縮到 T = 1010 K，密度 10噸/cm3 10 倍電子簡并支持的白矮星的密度大質量恒星的演化鐵核加速坍縮 熱伽馬射線光子 光致離解 Fe 原子核 消耗中心核的巨額熱能 加速Fe核坍縮 巨大的Fe核密度 e-+p n+v 也消耗巨額熱能 加速Fe核坍縮 中微子繼續(xù)帶走能量 加速Fe核坍縮 這些過程發(fā)生時間僅需大約1秒！ Fe核坍縮加速到 70,000km/s ( 1/4 光速)!大質量恒星的演化II型（核坍縮）超新星爆發(fā) Type II

7、 supernova 當core = 原子核，強核力變?yōu)槌饬?，核坍縮停止 下落物質造成反彈激波向外傳播 在極端條件下，約1/5 核物質轉變?yōu)橹形⒆?1秒鐘內)。由于高密度，一小部分中微子被滯留在激波后 在核的周圍形成一個氣泡(極端熾熱氣體和強烈輻射） 氣泡的壓力增加了向外運動激波的強度 在約1分鐘后激波到達He殼層, 1小時到達并加熱恒星表面(T=500,000K) 以約30,000km/s 拋射殼層物質 演化后的大質量恒星以II 型超新星爆炸 （合成比鐵重的元素） 核以中子星（或黑洞）的形式遺留下來大質量恒星的演化特大質量恒星的演化：特大質量恒星的演化：Ib/IcIb/Ic型超新星型超新星

8、特大質量（特高光度）恒星通常有伴隨強烈的高速星風，如沃爾夫-拉葉(WR)星 星風引起很高的質量損失率： 10-6-10-4 M yr-1 Ib/Ic型（核坍縮）超新星爆發(fā) 中子星/黑洞Nebula M1-67 around star WR124大質量恒星的演化不同質量恒星的演化結局大質量恒星的演化2。超新星與超新星遺跡。超新星與超新星遺跡 后漢書-天文志關于公元185年半人馬座超新星的歷史記載是目前世界上最早的超新星記錄大質量恒星的演化歷史上的超新星爆發(fā)時間 (AD) 亮度極大視星等 發(fā)現者 遺跡185 ?8中國天文學家RCW 86386中國天文學家SNR G11.2-0.33931中國天文學

9、家RX J1713.7-3946?837 ?8 ?中國天文學家IC 443100610中國、其他國SN 1006 Ia型10545中/日/阿天文學家Crab Nebula11811中/日天文學家3C 581320？無記錄RX J0852.0-462215724Tycho BraheTycho16043KeplerKepler1667-1680？5 ?John lamsteedCas A1987+2.9Ian SheltonSN 1987A大質量恒星的演化超新星的命名 SN+年份+A, B, ., Z 例如 SN 1987A SN+年份 + aa, ab,az； ba,bz；，za,zz 例如

10、SN 1998bu 目前，每年發(fā)現大約200顆大質量恒星的演化超新星的主要特征 光度： L107-1010 L 爆發(fā)能 E1047-1052 ergs（其中中微子占99%，動能占 1% ，可見光輻射占 0.01%） 膨脹速度 v103-104 kms-1 產物：膨脹氣殼（超新星遺跡）+ 致密天體（中子星脈沖星或黑洞） Ia型無致密殘骸 正是超新星的拋射物（沖擊波）加熱星際介質和推動星云 觸發(fā)新一代恒星的形成 威脅地球的定時炸彈！大質量恒星的演化超新星的觀測分類超新星的觀測分類 由譜線特征分類： I型(Ia, Ib/Ic)：無H線 II型：有H線 光變曲線不同 Ia型：彼此非常相似 II型：彼此

11、相差很大大質量恒星的演化超新星的爆發(fā)機制 Ia（熱核）超新星：小質量雙星系統(tǒng)中吸積白矮星的C（He，O）爆燃 Ib/Ic, II型（核坍縮）超新星：大質量恒星的核坍縮大質量恒星的演化超新星1987A SN 1987A（II型） 1987.2.23爆發(fā)于銀河系的一個小的伴星系大麥哲倫云中( 距離160,000光年，靠近南天極) 望眼鏡發(fā)明（400年）以來第一顆肉眼發(fā)現的超新星前身星：Sanduleak B3 I 蘭超巨星：M20ML105LT16,000K,R40R大質量恒星的演化SN1987A：光變曲線 自初閃100天連續(xù)增量到最亮約3等星 然后快速變暗大質量恒星的演化SN1987A的中微子探

12、測超新星爆發(fā)的大部分能量被中微子帶走 中微子輻射能51053 ergs 輻射51058個中微子 爆發(fā)前20小時中微子流量51014 m2在爆發(fā)前1.8-3小時，日本神岡II和美國IMB的探測儀測量到19個中微子（爆發(fā)）2002諾貝爾物理學獎（一半）大質量恒星的演化超新星遺跡 Supernova Remnants（SNR） 超新星爆發(fā)所拋出的大量物質在向外運動膨脹過程中與星際物質和磁場相互作用而形成的氣體星云 是強射電輻射和高能輻射源（同步加速輻射，激波加熱） 年齡 =10 M )恒星內部的核反應過程在恒星中心形成Fe核II 型超新星爆發(fā)，Fe核坍縮形成中子星，觀測為脈沖星大質量恒星的演化中子星

13、可以看成一個巨原子核中子星可以看成一個巨原子核 由1057 個核子構成，特征質量 M 1.4 M 中子處于簡并狀態(tài)，在中子星內部支撐星體與引力抗衡的是中子簡并壓力 中子質量是電子的1840倍，更高密度才簡并，中子星半徑比白矮星小得多，特征半徑10 km，密度比白矮星大得多（10 億倍） 與一般恒星相比，中子星的溫度很高大質量恒星的演化中子星的質量上限中子星的質量上限 質量-半徑關系：中子星質量越大，半徑越小 中子星也應有一個質量上限。但由于不了解極高密度的物態(tài)，所以質量的理論上限不確定，估計為3 M （奧本海默Oppenheimer極限質量） 3Msun M 1.4Msun大質量恒星的演化中子

14、星的結構中子星的結構106 gcm-3 41011gcm-3 2 1014gcm- 3 1015gcm-3 表層大氣 cm（沒顯示） 外殼 0.3 km, 固態(tài)金屬（Fe, e） 內殼 0.6 km, 原子核、游離中子、電子 內部：超流中子和超導質子 核心: 超子/奇異物質？（夸克）中子星密度：10億噸/立方厘米!大質量恒星的演化脈沖星脈沖星 Pulsars 1967年劍橋大學穆拉德射電天文臺研究生Jocelyn Bell （貝爾）利用 A. Hewish（休伊什）領導研制的射電望遠鏡發(fā)現了第一顆射電脈沖星PSR 1919+21 PSR：Pulsating Source of Radio 脈沖

15、周期 P1.3373 秒Hewish was awarded Nobel Prize in Physics 1974大質量恒星的演化“ 小綠人”（如今成為宇宙探索的重要對象） 貝爾又找到3個脈沖星，脈沖周期都是1秒左右（其中一顆名叫PSR 095008的脈沖周期僅0.25秒） 任何已知天體的輻射都不會是這樣的短周期脈沖。這個脈沖信號強弱變化，很像電報 休伊什提出可能是在太陽系外圍繞恒星作軌道運動的行星上的“ 小綠人”發(fā)出的信號 曾給新發(fā)現的脈沖星取名為：小綠人（LGM）1、2、3、4號大質量恒星的演化貝爾在回顧脈沖星的發(fā)現時如是說： “ 我在搞一項新技術以取得博士學位，可一幫傻呼呼的小綠人卻選

16、擇了我的天線和我的頻率來同我們通訊，但很快斷定射電脈沖不是外星人的信號，而是來自特殊天體?！?后來稱作“脈沖星” 貝爾并沒有和其導師一起獲得1974年諾貝爾物理學獎！大質量恒星的演化脈沖星模型：傾斜的自轉磁中子星 中子星有很強的磁場，磁軸與自轉軸傾斜，沿著磁軸發(fā)射的輻射束隨著中子星自轉，就像燈塔的光束掃射那樣，當它掃過地球方向時，就觀測到一個脈沖（1968年T.Gold）。中子星每自轉一周，輻射束掃過地球一次，因此脈沖周期就是中子星的自轉周期大質量恒星的演化其它波段輻射也脈沖 又發(fā)現射電脈沖星的光學、X射線和伽馬射線脈沖，脈沖周期一致大質量恒星的演化1968年發(fā)現位于船帆座超新星遺跡中的脈沖星

17、PSR 0833-45和蟹狀星云中的脈沖星PSR 0531+21，射電脈沖周期分別為89 ms和33 msCrab pulsar off and onVela pulsar大質量恒星的演化脈沖周期的基本特征 脈沖周期（0.03-4.3秒）穩(wěn)定（像銫原子鐘）。脈沖持續(xù)時間：0.001-0.05秒 脈沖周期隨時間緩慢增長（如Crab PSR0531+21: 3.6x10-8 s/day）自轉越來越慢 脈沖越短，射電脈沖星應越年輕。可由與超新星遺跡成協(xié)確定年齡： 1054超新星，脈沖星 PSR0531+21年齡958年，很年輕，脈沖周期很短 船帆座超新星遺跡年齡約11000年，脈沖星PSR0833-

18、45，也很年輕，脈沖周期也很短大質量恒星的演化脈沖星雙星 1974年，泰勒(J. Taylor)和赫爾斯(R. Hulse)發(fā)現第一顆雙（中子）星射電脈沖星PSR1913+16 軌道周期減?。篸Porb/dt = -7.6 105 s yr-1，每年軌道減小約3.5米大質量恒星的演化脈沖星第二個諾貝爾獎 雙中子星繞轉 引力波輻射 能量和角動量損失 雙星軌道收縮 廣義相對論的間接驗證：加速運動質量產生引力波 1993年泰勒和赫爾斯獲諾貝爾物理學獎近星點的累積移動大質量恒星的演化5。黑洞黑洞 Black Holes (BH) 超新星爆發(fā)后，如果恒星剩余質量超過 3個太陽質量(?)，中子簡并壓力也不

19、足以抵抗向內的引力 這時在已知的物理理論里面，再沒有更強的力足以抗衡引力，恒星殘骸只有不斷坍縮，最終成為一個奇點的黑洞大質量恒星的演化黑洞的牛頓理解：逃逸速度circescRGM22大質量恒星的演化黑洞的牛頓理解：逃逸速度 如果一個天體表面逃逸速度大于光速，那么宇宙中包括光在內的一切都不能逃離其引力的束縛，這個天體便成為黑洞cRGMv2/1esc)2(2.96105 cm (M/M) (對太陽 3km)2g2cGMR引力半徑：大質量恒星的演化黑洞的愛因斯坦理解：時空彎曲 質量越大，引力場越強，時空彎曲越強 光線在通過大質量天體附近時不會直線行進大質量恒星的演化黑洞的愛因斯坦理解：時空彎曲 一個

20、天體越坍縮，其表面附近的時空就越彎曲，則光線彎曲程度也越大。當坍縮到光線因時空彎曲而無法逃逸時就成為黑洞。而遠處時空不受任何影響正常恒星“坍縮”為黑洞大質量恒星的演化黑洞周圍的時空彎曲最大 黑洞是彎曲時空的一個奇點 (1/R) ，它是一個無限深的引力勢井大質量恒星的演化黑洞的奇點 “黑洞中心”稱為奇點：零半徑，無限大密度？ 更精確的表述： 因為支持奇點的物理定律未知，不知道那里在發(fā)生著什么，科學在那里崩潰！ 奇點: 裸? 不裸? 不裸: 被一個事件視界包裹則為黑洞大質量恒星的演化視界 Event horizon 黑洞中心的奇點永不可見，不可理解 距離黑洞越近，逃逸速度（時空彎曲）越大 逃逸速度

21、=光速（光線“環(huán)繞”）的球面稱為視界：在視界內的任何信息（物質和光）無法向外傳遞大質量恒星的演化視界的性質 黑洞的視界把其周圍的時空分為兩部分，物質和輻射能從視界外進入其內，但不能反過來 黑洞的視界是絕對的，它是時空的分界線，與觀測者無關 黑洞的視界把所有的事件分為兩類：在視界以外，可用光信號相互聯系；而在視界以內，光線都朝中心會聚 視界就是事件能被探知的極限大質量恒星的演化黑洞“半徑”：視界的大小 視界是有去無返的分界線，其大小與黑洞的質量成正比 不轉的電中性的黑洞稱為史瓦西Schwarzschild黑洞，其視界的大小=引力半徑，稱為史瓦西半徑：SunsgCGMRRMM km 3221 Ms

22、un BH: 3km1 MEarth BH: 1cm大質量恒星的演化旋轉黑洞 旋轉黑洞又稱為克爾(Kerr)黑洞，與靜止黑洞很不同 旋轉黑洞有內外兩個視界，它們之間的區(qū)域稱為能層 ergosphere 能層內的物質會被黑洞自轉所帶動，但能逃離黑洞；內視界內的一切無法逃出靜界大質量恒星的演化黑洞無毛發(fā)定理 No Hair Theorem 任何物體都有復雜性：恒星的質量、光度、大小、密度、磁場、化學成份 黑洞是最簡單的統(tǒng)一的整體，黑洞幾乎不保持形成它的物質所具有的任何復雜性質（一旦進入視界，信息全無），談論黑洞內物質的特性毫無疑義 黑洞保持的物理參數只有質量、角動量和電荷，即可描述黑洞的全部特征，

23、即無毛發(fā)定理 (“三毛定理”)大質量恒星的演化黑洞的輻射(蒸發(fā)) (Hawking radiation) 量子力學：真空中的能量漲落產生正反（虛）粒子對 如果在視界附近，反粒子被吸收，黑洞質量減少；正粒子逃逸，帶走能量 霍金蒸發(fā)（輻射）大質量恒星的演化黑洞不太黑 黑洞輻射具有黑體輻射的一切特征 黑洞視界面的溫度、黑洞的能損率和壽命 但輻射很弱到通?？梢院雎?3 Msun BH, T2x10-8 K 1.6x10-29 瓦 黑洞能量蒸發(fā)的能量釋放率與質量平方成反比 壽命與質量立方成正比 當M = 1 M, 10-20焦耳/年，t1067 yr； 當M = 1012 g, 6x109焦耳/秒，t1

24、010 yr 宇宙極早期形成的小黑洞應已經蒸發(fā)掉 ( LHC? )大質量恒星的演化黑洞：間接的觀測證據 黑洞輻射幾乎不可能成為“看見”黑洞的有用工具 黑洞通過自身的引力效應間接表明自身的存在 兩種系統(tǒng)存在黑洞的強大的間接證據： X射線雙星系統(tǒng)中的恒星級質量黑洞 Stellar black holes （10 M ） 星系中心的超大質量黑洞 Supermassive black hole （SMBH，106 109 M） 超亮X射線源（ULX）：中等質量黑洞（IMBH，103 104 M） ？大質量恒星的演化尋找恒星級黑洞 途徑：搜尋質量（遠）超過中子星質量上限（3 M）的致密星 確定致密天體性質（半徑）：X射線輻射的時變 確定致密天體質量：雙星軌道運動 X射線雙星大質量恒星的演化6。X射線雙星 (X-ray binaries) 由致密星 (中子星或黑