恒星的基本知識(shí)

恒星的基本知識(shí)1第1頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一恒星在整個(gè)天體物理研究中所處的地位Whydowestudystars?Starstothecosmologyislikeasatomsinphysics.Tounderstandthewholeuniverse,itiscrucialtounderstandstars.Stars,inparticularlytheSun,playsacrucialroleinourlives2第2頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一什么是恒星？恒星：由熾熱氣體組成的、能自身發(fā)光的球狀或類球狀天體。Astarcanbedefinedasabodythatsatisfiestwoconditions:(a)itisboundbyself-gravity;(b)itradiatesenergysuppliedbyaninternalsource.3第3頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一典型的恒星參數(shù)范圍參數(shù)太陽(yáng)恒星半徑R⊙=7×108m10?2?102

R⊙

質(zhì)量M⊙=2×1030kg10?1?102M⊙優(yōu)秀溫度（Teff）Teff,⊙=5770K103?105K光亮度（Luminosity）L⊙=3.8×1026W10?5?106

L⊙

化學(xué)成分Z⊙=0.02~10?3?5Z⊙

4第4頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一太陽(yáng)是及其普通的一顆恒星

太陽(yáng)在我們的生命中扮演著非常關(guān)鍵的角色:核反應(yīng)

能量+氣候(季節(jié))

生活;合成元素(C,O,N)在空氣中和我們?nèi)祟惖纳眢w里都可以找到5第5頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1恒星的光度InverseSquareLawofLight光度L(luminosity)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)輻射的總能量，是恒星的固有量(總的輻射功率)。

亮度F(brightness)：在地球上單位時(shí)間單位面積接收到的恒星的輻射量。

L=4pR2F, FLR-2視亮度的大小取決于三個(gè)因素：天體的光度天體離我們的距離星際物質(zhì)對(duì)輻射的吸收和散射

6第6頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

視星等m(apparentmagnitude)定義古希臘天文學(xué)家Hipparcos(喜帕恰斯)在公元前150年左右首先創(chuàng)立的表征恒星亮度的系統(tǒng)（1等星-6等星）。星等值越大，視亮度越低。天文學(xué)家在此基礎(chǔ)上建立了星等系統(tǒng)。星等差1等，其亮度差2.512倍，星等相差5等的天體亮度相差100倍。星等分別為m1和m2的恒星亮度之比為：F1/F2=10-0.4(m1-m2)

。7第7頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一-26.8-12.5-4.4-1.561830Hubble,KeckLimit8第8頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1）有效溫度(TheEffectiveStellarTemperature)恒星的光球輻射近似可看為絕對(duì)黑體輻射，利用Stefan-Boltzmann公式確定的溫度為恒星的有效溫度。單位面積黑體輻射的功率F＝σT4

總的黑體輻射的功率L

=4pR

2

σT

4

其中Stefan-Boltzmann常數(shù)

σ＝5.67×10-5ergcm-2s-1K-4

9第9頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Oh,BeAFineGuy(Girl),KissMe!按照恒星光譜中最為明顯的吸收線的類型（物理原因），通常把恒星劃分為7種主要的光譜類型。早型星晚型星中型星恒星的光譜型10第10頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一光譜型

表面溫度(K)

顏色

特征譜線

O>25,000藍(lán)紫強(qiáng)電離He線，重元素多次電離線，無氫線。B11,000~25,000藍(lán)白中性He線，重元素一次電離線，很弱的H線A7,500~11,000白強(qiáng)H線，重元素一次電離線（如Ca+

）F6,000~7,000黃白重元素一次電離線，弱H線和中性金屬線G5,000~6,000黃強(qiáng)重元素一次電離線，中性金屬線K3,500~5,000紅橙強(qiáng)中性金屬線，重元素一次電離線M<3500紅強(qiáng)分子帶，中性金屬線，無氫線每一種光譜型可以繼續(xù)分為0-9十個(gè)次型。數(shù)字越小溫度越高。太陽(yáng)的光譜型為G2。11第11頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一恒星質(zhì)量變化范圍不太大，絕大多數(shù)恒星的質(zhì)量在0.1M⊙到120M⊙之間。質(zhì)量太大（>60M⊙）的恒星動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定，質(zhì)量太小（<0.08M⊙）的恒星無法點(diǎn)燃?xì)淙紵?。恒星的質(zhì)量分布12第12頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一根據(jù)體積的大小可以把恒星分成以下幾類：超巨星：R~100-1000R⊙巨星：R~10-100R⊙矮星：R~R⊙中子星：R~10－5R⊙唯一準(zhǔn)確知道的恒星半徑是太陽(yáng)半徑：(6.95980.0007)105km恒星的分類(按體積)(大角星)(織女星)(木星)(五車二)(鯨魚星)參宿四(獵戶座a星)13第13頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§1.2赫羅圖為什么想到要做赫羅圖？由觀測(cè)能夠確定出的恒星的兩個(gè)最基本的內(nèi)稟性質(zhì)為恒星的光度L

和恒星的有效溫度。由黑體譜所滿足的Stefan-Boltzmann定律有 L=4pR2sT

4

因?yàn)楹阈堑膲勖h(yuǎn)遠(yuǎn)大于人類一生的壽命，人們也不得不從大量的恒星樣品中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出恒星演化的某些重要信息。14第14頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一丹麥天文學(xué)家E.Hertzsprung(赫茨普倫)和美國(guó)天文學(xué)家H.R.Russell(羅素)創(chuàng)制了恒星光度-溫度分布圖。LT恒星的分布？赫羅圖的橫坐標(biāo)也可用恒星的光譜型、色指數(shù)；縱坐標(biāo)也可用恒星的絕對(duì)星等表示。EjnarHertzsprung(1873-1967)HenryNorrisRussell(1877-1957)15第15頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一恒星在赫羅圖上的分布特征主序星白矮星紅巨星藍(lán)超巨星太陽(yáng)附近：90%主序星9%白矮星1%紅巨星16第16頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一赫羅圖上的等半徑線（L=4pR2sT

4

）M－M⊙＝－2.5log(L/L⊙)＝－5log(R/R⊙)－10log(T/T⊙)即log(R/R⊙)＝8.47－0.2M－2logT

超巨星 巨星 半徑R

主序星 白矮星17第17頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一恒星的性質(zhì)，尤其是恒星的光度和表面溫度，非常強(qiáng)地依賴于恒星的質(zhì)量，H-R圖中不同位置的點(diǎn)對(duì)應(yīng)著不同質(zhì)量的恒星。高質(zhì)量的恒星明亮且高溫，位于主序帶的上部。低質(zhì)量的恒星黯淡且低溫，位于主序帶的下部。對(duì)赫羅圖的解釋H-R圖中不同位置的點(diǎn)對(duì)應(yīng)著不同年齡的恒星。質(zhì)量越大的恒星壽命越短，越早脫離主序。18第18頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一恒星在赫羅圖上的演化

恒星的一生就是一部和引力斗爭(zhēng)的歷史！恒星在一生的演化中總是試圖處于穩(wěn)定狀態(tài)（流體靜力學(xué)平衡和熱平衡）。當(dāng)恒星無法產(chǎn)生足夠多的能量時(shí)，它們就無法維持熱平衡和流體靜力學(xué)平衡，于是開始演化。19第19頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一恒星演化通常要經(jīng)歷：核心氫燃燒的主序星階段(MainSequence

)核心氫燃燒枯竭后的紅巨星階段(RedGiantBranch

)核心氦燃燒枯竭后的漸進(jìn)巨星支階段(AsymptoticGiantBranch)熱脈沖形成行星狀星云和白矮星；或者進(jìn)入碳主序大質(zhì)量恒星形成洋蔥結(jié)構(gòu)經(jīng)歷氦閃或不經(jīng)歷氦閃進(jìn)入核心氦燃燒的水平支階段(HecoreflashandHorizontalBranch)20第20頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一主序星（MainSequence

）從赫羅圖可以看出，絕大多數(shù)恒星位于從左上方到右下方的對(duì)角線窄帶內(nèi)，這條帶常稱為主星序，其中的恒星稱為主序星，它們占恒星總數(shù)的（80-90）%。太陽(yáng)便處在主序帶上。21第21頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一以氫燃燒（即41H→4He+26.73MeV，的熱核反應(yīng)序列）為其主要的能量來源，較長(zhǎng)期地穩(wěn)定在主星序附近。太陽(yáng)內(nèi)部每秒都有7750萬噸的氫在這種核爆炸過程中轉(zhuǎn)化為氦。熱核反應(yīng)的條件是什么？熱核聚變反應(yīng)是否為自然界中最有效的產(chǎn)能方式？22第22頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一碳氮氧循環(huán)(CNOcycle)主序星內(nèi)部氫的熱核反應(yīng)具體又分為兩種質(zhì)子一質(zhì)子反應(yīng)鏈（p-p鏈）平穩(wěn)核燃燒23第23頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一恒星內(nèi)部的核反應(yīng)速率對(duì)溫度十分敏感，因庫(kù)侖位壘的關(guān)系CNO需要更高溫。1.1M⊙pp鏈與CNO循環(huán)核反應(yīng)的比較24第24頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大約在1.1~1.3

M⊙

處可將主序分為上半主序與下半主序，它們的性質(zhì)截然不同：存在著所謂的“表面對(duì)流區(qū)”，質(zhì)量愈小的恒星表面對(duì)流區(qū)向內(nèi)延伸得愈深。由于小質(zhì)量恒星氫燃燒速度較為緩慢，它們停留在主序（氫燃燒）的壽命也很長(zhǎng)，而且質(zhì)量愈小，主序壽命愈長(zhǎng)。下半主序星(Lowermainsequencestars)的質(zhì)量較小，光度較低，質(zhì)光關(guān)系大致為L(zhǎng)

M

2，表面溫度較低(Te≤6000K)，其中心溫度也較低(＜2.0×107K)，氫燃燒以pp鏈為主。除了質(zhì)量非常小的恒星外，它們核心區(qū)處于輻射平衡狀態(tài)，即不出現(xiàn)對(duì)流核心。但它們表面層（光球）下面卻25第25頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一上半主序星(Uppermainsequencestars)的質(zhì)量較大，光度很高，質(zhì)光關(guān)系大致為L(zhǎng)

m4，表面溫度大多數(shù)都超過1萬度，而中心溫度高達(dá)兩、三千萬度以上，核心氫燃燒是所謂的CNO循環(huán)反應(yīng)鏈為主的氫燃燒核反應(yīng)序列。這些大質(zhì)量恒星的熱核燃燒核心處于大規(guī)模的對(duì)流狀態(tài)，但都沒有表面對(duì)流。由于CNO循環(huán)熱核燃燒的速率遠(yuǎn)高于p-p鏈，因而上半主序星的主序壽命相當(dāng)短。26第26頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一不同質(zhì)量的恒星在主序時(shí)結(jié)構(gòu)不一樣M<0.3M

⊙RedDwarfStars

LowermainsequencestarsUppermainsequencestarsCNO循環(huán)為主P-P鏈為主27第27頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一不同質(zhì)量的恒星在主序的壽命不一樣。tnuc

(1010yr)(M/M⊙)(L/L⊙)-1恒星輻射掉由核心區(qū)核反應(yīng)產(chǎn)生的所有能量的時(shí)間，即恒星消耗掉核心區(qū)域核反應(yīng)燃料而離開主序階段的時(shí)間其中為HHe的產(chǎn)能效率~0.7%。qSC為能夠提供核反應(yīng)的燃料在恒星總質(zhì)量中所占的比例，~10%。由此可給出核反應(yīng)的時(shí)標(biāo)顯然恒星的質(zhì)量越大，在主序階段的壽命越短。28第28頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一不同質(zhì)量主序星的演化時(shí)標(biāo)M(M⊙)30151.00.5tnuc(yr)2×10610710106×1010MoremassMorePandTFasterfusionShorterlifeLessmassLessPandTSlowerfusionLongerlifeTherelationgoesas:Witht=1010yrs,MSlifefortheSun問大質(zhì)量、高光度的O、B型星在主序階段只可以停留幾百萬到幾千萬年，而低光度、小質(zhì)量的K、M型星則可停留幾千億或幾萬億年的原因是什么？29第29頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(1)亞巨星支(2)紅巨星支(3)He閃(4)水平支(5)漸進(jìn)巨星支(6)行星狀星云與白矮星在此以1M⊙恒星的演化為例。演化階段可以分為低質(zhì)量(M<2.25M⊙)恒星的演化例30第30頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4He+4He8Be+g8Be+4He12C+g8Be是非常不穩(wěn)定的同位素，分裂成兩個(gè)4He的時(shí)標(biāo)僅為10-12s。31第31頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一白矮星(whitedwarf)白矮星比通常的恒星要小很多，質(zhì)量與太陽(yáng)差不多，大小與地球比較接近。其物態(tài)組分與理想氣體完全不一樣，靠電子的簡(jiǎn)并壓力抗拒引力的作用，來維持天體的結(jié)構(gòu)。32第32頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一行星狀星云(planetarynebulae)低質(zhì)量恒星在死亡時(shí)拋出的氣體包層，受到中心高溫白矮星的輻射電離而發(fā)光。通常為環(huán)形，年齡不超過~5×104

yr。注意：行星狀星云與行星沒有聯(lián)系，與發(fā)射星云也沒有聯(lián)系。SpirographnebulaRingNebulaCat’sEyeNebula33第33頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一低質(zhì)量恒星的演化請(qǐng)哪位同學(xué)復(fù)述下抵質(zhì)量恒星的演化。34第34頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一中小質(zhì)量恒星的演化不經(jīng)歷氦閃35第35頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一演化的結(jié)果：行星狀星云+白矮星沙漏星云RingNebula36第36頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一白矮星光度為0.1~10-3L⊙絕對(duì)星等為Mv~8m-16m半徑小于109cm質(zhì)量為0.3~1.2M⊙，平均～0.7M⊙(Chandrasekhar質(zhì)量上限為1.4M⊙)有效溫度Teff~5×103-4×104K物質(zhì)平均密度為105~109gcm-3光譜分類DC、DO、DB…DM.（ClassificationsNOTanalogoustoMS–reflectcompositions,nottemperature）白矮星磁場(chǎng)105~108G37第37頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一DistinguishingTraitsofCompactObjectsObjectMassa(M)Radiusb(R)MeanDensity(gcm-3)SurfacePotential(GM/Rc2)SunM⊙R⊙110-6WhiteDwarf

M⊙~10-2

R⊙107~10-4NeutronStar~1-3M⊙~10-5

R⊙1015~10-1BlackholeArbitrary2GM/c