1、恒星的诞生,恒星形成是目前恒星物理的基本问题之一，也是难点之一。 观测表明，恒星诞生于分子云中。,宇宙空间是一无所有的、黑暗寂静的真空？恒星之间广阔无垠的空间也许是寂静的，但远不是真正的“真空”，而是存在着各种各样的物质“星际物质”。,1. 星际物质 星系内恒星与恒星之间（6-10 ly）的物质。 包括星际气体、星际尘埃、宇宙线与星际磁场。 星际物质的质量约占银河系恒星质量的10% 星际物质主要分布在距离银道面约1000 ly的范围内。,2. 星际气体 (interstellar gas),星际气体主要由H构成. 星际气体的空间分布是不均匀的（星云、冕气），密度分布：10-2-106 cm-3
2、 在不同环境下H的存在方式不一样（HI 区、HII 区、分子云）.,被高温（ O, B0-2型）恒星的紫外辐射电离的星际物质，也称为HII区。,分子云 (molecular clouds) 通过观测CO 分子的辐射，发现星际分子聚集成团形成分子云。 质量：1-106 M，直径：1-600 ly，密度：103 -105 cm-3分子云占据银盘内大约1%的空间，质量大约占星际气体总质量的50%。,分子云,分子云：化学分子集结的区域，主要是各种分子和尘埃。 分子云温度很低 (10 30 K) ，辐射在红外波段。 分子云中有很多小的团块，恒星诞生于团块中。,Molecular Cloud Barnar
3、d 68,尘埃(dust)的分布 (1%),可见光 红外波段,猎户星云Orion Nebula,人马座尘埃的分布,典型的尘埃,尘埃形成: 恒星演化到红巨星时,在它的冷的外壳会形成尘埃 然后随红巨星星风扩散到星际介质中.,(1) 星际消光 (interstellar extinction) 星际尘埃对星光的吸收和散射造成星光强度的减弱。,(2) 星际红化 (interstellar reddening) 星际尘埃对星光的散射随波长的变化而不同，对蓝光散射较多而对红光散射较少，因而造成星光颜色偏红。,尘埃的影响,2. 星际尘埃的性质,成分 硅或石墨微粒，外面被冰或二氧化碳包裹。 形成形成于红（超）
4、巨星的外层大气（低温气体凝结） ，在恒星演化晚期被吹向星际空间。 星际尘埃与星际分子分子云中的尘埃屏蔽了星光中的紫外线，使分子免遭瓦解，尘埃有利于分子形成。,星际物质在宇宙空间的分布并不均匀。在引力作用下，某些地方的气体和尘埃可能相互吸引而密集起来，形成云雾状。人们形象地把它们叫做“星云”。,巨蛇座弥漫星云M16,弥漫星云,猎户座马头星云,弥漫星云,玫瑰星云,弥漫星云,三叶星云,弥漫星云,人马座礁湖星云M8,弥漫星云,行星状星云,环状星云,金牛座蟹状星云M1,亮星云：发射星云，反射星云 星云暗星云,马头星云,鹰云,暗星云 (dark nebulae) 大量的尘埃阻挡了星云内部或后面恒星的星光。
5、,昴星团,反射星云 (reflection nebulae) 星云通过尘埃反射附近的热星的星光而发光，颜色偏蓝。 热星的光谱型一般晚于B3型。,恒星形成于银河系旋臂上巨大的、冷的致密星际云。 星云的坍缩造成恒星成群形成。 星云坍缩、分裂、加热 原恒星 主序星,2. 恒星形成,金斯（Jeans）不稳定性 当星云的质量足够高时，（向内的）重力超过由热运动和湍动产生的（向外的）压力，引起星云的收缩。星云不稳定的极限质量称为金斯（Jeans）质量。,M,中性氢云：n 1 cm-3, T 100 K MJ3104 M 暗分子云：n 106 cm-3, T 10 K MJ1 M 恒星形成于巨分子云中 恒星
6、成群形成,动能,势能,当2K |U|，星云坍缩,低质量恒星的形成过程 (1) 星际云 (interstellar cloud) 星云坍缩，并分裂成小云块（密度上升，金斯质量减小）。 (2) 星云团块 (cloud fragment) 星云仍十分稀薄，热量可以不受阻碍地散逸，星云内的温度没有明显上升 。,(3) 团块/原恒星 (fragment/protostar)星云进一步坍缩和分裂，密度上升。核心区域变得不透明，温度迅速上升，金斯质量增大。星云停止分裂，云块开始坍缩。,(4) 原恒星 (protostar) 原恒星以Kelvin-Helmhotz时标收缩，温度进一步升高。,(5) 主序前星
7、(pre-main-sequence star) 原恒星向主序演化成为主序前星（金牛座T型星）， 但内部温度还没有升高到H的点火温度。,(6) 零龄主序 (zero-age main-sequence star) 恒星到达主序，热核反应（H燃烧）开始进行，成为零龄主序恒星。光度约为现在太阳光度的2/3。 (7) 主序星 (main-sequence star) 恒星略微收缩，达到流体静力学平衡。,具有不同质量恒星的形成 不同质量的恒星在形成过程中，在H-R图上沿不同的路径演化。 质量越高的恒星，其原恒星演化到主序的时间越短，在主序上的位置越高。,气体云的收缩,原恒星,主序前星,零龄主序,零龄主
8、序,云块碎裂、辐射,M MC,M MC,MC3-6 M,原恒星、主序前恒星与恒星的比较,=原恒星 主序前恒星 恒星 质量 相近 相近 相近 中心密度和温度 低 低 高 能源 引力能 引力能 热核反应 局地流体静力学平衡 没有 达到 达到 =,大质量恒星的形成,形成 O, B 型星； HII 区向外扩展并产生激波； 激波触发更多的恒星形成。 上述过程循环直至分子云被破坏。,1. 恒星形成区和原恒星的观测 猎户星云 (M42)，位于猎户之剑附近，距离约 1000 ly。,光学照片。左下方棒形物是受到中心“梯形恒星” (trapezium stars) 辐射电离而发光的气体。,红外照片。在右上方有一
9、个明亮的星云，其中的橙色区域是被恒星星风驱散的氢分子。,（左）光学（放大）照片。图中“梯形恒星”清晰可见。（右）红外（放大）照片。可以看到成团的新生恒星，被光学星云后面的尘埃云包裹。,“梯形恒星”的放大照片。它们照亮了周围的气体。,猎户星云中的原恒星及其周围的尘埃盘。,原恒星星风 原恒星在吸积过程中有强烈的星风和喷流。,2. 恒星的结构与演化,恒星的诞生：引力坍缩分子云 恒星恒星的演化：与自身引力相抗争的过程。,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
10、部和引力斗争的历史！,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。,基本方程组（I）,简化假设： 球对称结构；恒星是稳定的； 隔离法,基本方程组（II）,流体静力学平衡：引力 压力 能量平衡：内部产能率 能量损失率（如：核反应、收缩等） （辐射） 能量的传输：A. 方式：对流、辐射、热传导B. 不透明度：辐射传能的快慢,热 核 反 应（I）,原子聚合反应：几个轻原子核聚合为重原子核的反应。 质能方程：Emc2 质量亏损：聚合反应中损失的质量。 热核反应：由热运动引发的核反应。A. 必要条件：核力作用范围内；B. 速率很
11、小，与温度有关。,热 核 反 应（II）,估算太阳的寿命(I)： 核反应： 相对质量亏损：在 过程中，约有0.7%的原来质量转化为能量。,热 核 反 应（III）,估算太阳的寿命(II)： 假设太阳全部由氢组成。 1H全部转化为 时释放的能量为：太阳的能量损失率： 太阳的寿命为：,热 核 反 应（IV）,15Msun的恒星，寿命约为107年。 恒星的质量越大，寿命越短。 恒星结构和演化主要取决于质量：小质量星( 9 Msun ） 氦燃烧：,小质量星的演化（I）,小质量星在赫罗图上的演化轨迹,小质量星的演化（II）,主序 (12 ) ：核心氢燃烧；时标很长 亚巨星支 (23 )：壳层氢燃烧；核心
12、收缩，外包层膨胀； 红巨星 (34 )：壳层氢燃烧；核心收缩，外包层膨胀；光度大、温度低、半径大； 氦闪 (4)：简并氦核的爆炸性燃烧；持续时间短：几分钟；,小质量星的演化（III）,水平支(5): 宁静的核心氦燃烧； 渐近巨星支(57 ): 氢和氦壳层燃烧；热脉冲超星风 行星状星云 (78 ) 白矮星的冷却(89 ),中等质量星的演化（I）,中等质量星在赫罗图上的演化轨迹,中等质量星的演化（II）,中等质量星演化与小质量星的区别： 主序的寿命短； 没有亚巨星支，出现赫兹伯仑空区 ：从中心氢燃烧到壳层氢燃烧不能平滑过渡 氢燃烧产生的氦核是非简并的，没有氦闪发生； 没有水平支； 中心氦燃烧时两次
13、越过造父脉动带。 形成的白矮星的质量大、温度高。,恒星中心核可能经历的核燃烧过程及其生成物,大质量星的演化（I）,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,大质量星的演化,经历多种元素聚合反应后，以超新星爆发的形式结束一生。,铁核的塌缩： A 铁核收缩时，释放的引力能使铁核的温度和密度不断升高； B 当 时，铁核内发生的光致蜕变和电子俘获过程是强烈的吸热过程，使压强骤然下降，导致铁核发生塌缩。 C 当 时，核力变为很重要，中心部分塌缩停止，外部物质的下落产生一冲击波。内核塌缩停
14、止时，内核的反弹可使冲击波向外传播。 D 瞬时爆炸机制：内核反弹使激波向外传播时，储存于激波内的能量可直接将恒星爆炸； E 延缓爆炸机制：反弹发生几百毫秒后，中微子传能使内核较远处再产生一个激波，它可将外部物质炸开。,Type II supernovae,超新星1987A,1987.2.23爆发 (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 -69202，B3 I型蓝超巨星M 20 M，L 105 L，T 16,000 K，R 40R,超新星1987A的遗留物：环状星云,SN 1987A in X-ray,Crab Nebul
15、a - Optical and X-ray,典型的超新星遗迹,天鹅圈 Cygnus Loop,小 结,热核反应：估算太阳的寿命； 小质量星的演化； 中等质量星演化与小质量星的区别； 大质量星的演化：超新星爆发；,3. 白矮星、中子星和黑洞,太阳光度：,白 矮 星（I）,电子简并气体： 密度： 108 kg/m3 电子气：电子已无法被单个原子束缚，成为独立的气体； 简并压：只与密度有关，与温度无关。,白 矮 星（II）,典型质量： 0.6M 极限质量： 1.4M 半径： 7000km (与地球半径相当) 密度： 109 kg/m3 内部压强：电子简并压 能源： 储存的内能 前身星： 中、小质量恒
16、星,中 子 星（I）,中子简并： 1013 kg/m3, 质子电子 中子 1015 kg/m3, 原子核已束缚不住中子 1017 kg/m3, 中子成为独立的气体中子简并压,中 子 星（II）,典型质量： 1 2 M 极限质量： 3 M 半径： 10 km 密度： 1017 kg/m3 内部压强：中子简并压 能源： 储存的内能 前身星： 大质量恒星,中 子 星（III）,两个重要极限,钱德拉塞卡极限：白矮星的质量有一个上限，约等于太阳质量的1.44倍。或者说，不可能存在质量超过1.44太阳质量的白矮星。奥本海默极限：中子星的质量上限不如白矮星质量上限那么确定，一般估计在23个太阳质量之间。,黑
17、 洞,基本特征：具有封闭的视界； 史瓦西半径：3km (1 M)黑洞：有限的质量被压缩进 极 小的空间。 黑洞不是“ 真空清洁工”,1.主序星质量小于3 M，当氢耗尽，核心收缩，外壳膨胀，内层热核反应T小于4000K，则氧化为红巨星。当核心密度大于6107克/厘米3时，电子大于5000开，则氧化为白矮星，白矮星冷却后便成黑矮星； 2.主序星质量在3-9M间，氢燃烧完毕后变成红巨星，由于引力过大，使红巨星发生爆炸所有构成恒星的物质全部被抛到星际空间； 3.当主序星质量大于9 M时，主序星演变成致密天体后又分两种情况：第一种质量在9-30 M，演变成中子星，第二种质量在30 M以上，结局为黑洞。,恒星演化的最后结局：,红巨星：带红色的光，整个恒星表面又大又红。 白矮星：恒星内部所有电子产生一种是周围空间不再被压缩的“简并压力”，温度维持在5万开，体积很小，光度也很小。 中子星：由中子简并压力与引力相平衡而维持稳定的恒星，质量越大，体积越小。 黑洞：它周围的空间因引力足够弯曲到任何物质和辐射都逃不出来。,各自特征：,
