恒星的演化

恒星是一个不断向宇宙空间辐射巨大能量的自引力炽热气体球。恒星的主要能量来源是在其核心处发生的热核反应，当星体收缩或坍缩时也会释放一定的能量。恒星为了维持足够的内部压力来支持自身的巨大引力必须产生能量。恒星的结构和演化受两种相反的作用所支配：力图使恒星坍缩的引力和企图使恒星膨胀的内部压力。当引力占优时恒星表现为坍缩，压力占优时则表现为膨胀。由于恒星在不断辐射能量，最终引力将使恒星坍缩为冷的致密星，如白矮星、中子星甚至黑洞。引力在恒星演化过程中将起决定性的作用。ffbV) 1. 恒星演化进程概述O" 恒星的演化是天体物理中最基本的问题之一。恒星是怎样诞生、生长、衰老和死亡的，这是一个十分复杂的问题，也是非常困难的问题。目前对恒星演化的进程已经有了相当多的认识，有一张比较清晰的图象。随着观测和研究的不断深入，恒星演化进程的图象会越来越清晰。C~]V3T 一般认为恒星起源于星际物质。在引力扰动作用下，星际物质收缩成密度较大的弥漫星云，最后进一步收缩成原始恒星。原恒星在引力作用下进一步收缩，形成一个密度极大的核心，温度越来越高，最终达到氢的点火温度—氢聚变为氦的热核反应开始了，恒星进入了主序星阶段。~ 恒星将在主序渡过一生最长的阶段。当恒星内部10%-20%的氢耗尽后，恒星就离开主序，向红巨星发展。氢的聚变反应停止后，恒星在引力收缩下，核心将达到氦点火的温度，开始氦的聚变反应。以后逐步进入碳、氧、硅等燃烧阶段，最后形成洋葱状的结构，中心是最稳定的铁核。eZB9Hk 恒星最后的演化过程基本上取决于恒星的质量，当然与其他因素也会有一定关系。恒星演化的最后阶段可能形成三种产物，即白矮星、中子星或黑洞。白矮星很早就在天文观测中被发现了，理论上的分析由Chanderasekhar 在1931年完成。并因此而获得1983年的Nobel物理奖。中子星的可能则早在20世纪30年代就被物理学家提出来了，但因为中子星的直径只有10公里左右，很难观测到。一直到1967年才由Hewish及其研究生Bell发现。Hewish因为发现脉冲星而获得1974年的Nobel奖。黑洞在物理上的预言更早，1798年大科学家Laplace就预言了黑洞的存在。 在广义相对论的理论框架下讨论黑洞是在1917年以后。|H 恒星最后的命运取决于初始的质量。由目前的观测可知，恒星的质量范围大致在0.08M⊙(太阳质量，下同)～ 120M⊙。质量小于0.08M⊙的天体，靠其自身引力不足以通过引力收缩使其中心达到热核反应所需要的高温，因而不发光，也就不能称其为是恒星。I 对于质量大于120M⊙的恒星，由于自身引力巨大，强烈收缩造成中心温度极高，热核反应剧烈，辐射压力（ 正比于T^4）将大大超过物质压，星体将急剧碰撞。而当温度下降后，核心处的热核反应停止，压力下降，引力又开始起主导作用，星体再次收缩。这样，星体以极高的速度进行收缩-膨胀-收缩-膨胀的过程，最后将大部分质量抛出，留下小质量的恒星继续演化。目前尚未观测到质量大于120M⊙的恒星。d(K^J 2. 小质量恒星的演化（ 0.08M⊙～ 3M⊙）R<Pf 对于质量和太阳类似的小质量恒星，当星核的氢耗尽后，热核反应停止，但能量仍在继续向外辐射，由于没有能量补充，引力将超过内部压力，使核心收缩，由此引起核心处和边界上温度上升，使氢在靠近核心的壳层内再次燃烧，使更多的氦进入核心。b{"|8 由于核心温度尚未达到氦的点火温度，因此氦核继续收缩，温度继续升高，壳层内氢的燃烧加快，能量向外传播使外壳急剧膨胀，由公式L=4*p^2*sT^4可知，恒星表面温度下降，变成红巨星。当核心继续收缩使温度升高到1亿度时，氦达到点火温度，开始氦聚变为碳的热核反应，一部分进而聚变为氧。氦的燃烧过程非常激烈，被称为氦闪。当核心处的氦被耗尽后，中心形成碳氧核心。在引力作用下，核心开始收缩，温度升高使氦壳层再次点火。? 氦壳层的燃烧使更多的碳、氧进入核心，核心质量增加，进一步收缩，温度升高，氦燃烧加快，外壳进一步膨胀。对于小质量恒星，引力收缩不足以达到碳的点火温度，最终热核反应将停止。辐射压力不再能平衡引力的收缩。当核心继续收缩，密度增加到10^6 g/cm^3时，电子的简并压力开始超过星体的热压力，最终与引力达到平衡。即成为碳氧白矮星。而外壳则继续膨胀，密度越来越小，演化成行星状星云。几万年后，行星状星云将被吹散至宇宙空间，只留下孤独的白矮星。当残存的能量散失殆尽后就变成黑矮星。 W 3. 大质量恒星的演化 yc#J 对于大质量的恒星，当核心的氦耗尽后还将继续演化。由于质量大，光度也大，辐射的能量比小质量恒星大得多，因而演化过程也要快得多。由于有足够的质量，氦耗尽后形成的碳氧核心将继续收缩至碳点火温度，发生碳闪。这个过程将一直进行到核心形成铁球为止。铁是最稳定的元素，铁的聚变是吸收能量而不是放出能量。热核反应到铁就停止了。没有了辐射压力的支持，强大的引力使星体猛烈收缩。PUmH 核心的密度急剧增加，电子的简并压已经无法抗衡引力的坍缩。电子被压入原子核产生反beta衰变使核心中子化并释放出大量的中微子。中子的简并压将阻止核心的进一步坍缩。强大的引力使外层物质以极高的速度向中心坍缩，当大量物质撞上高度致密的核心时，就象无数发炮弹撞上无比坚硬的铁壁，反弹回来形成强大的冲击波，携带巨大的能量，把整个恒星炸碎。即超新星爆发。爆发的过程很短，但释放的能量可达10^53erg。比其一生正常辐射的能量总和还要多。IvyIh2 超新星爆发后，大部分外层物质解体为向外膨胀扩散的气体和尘埃云，核心留下一个高度致密的天体—中子星，其密度可达10^14 g/cm^3。铁以后的重元素都是在超新星爆发中合成的，可以说，人类也是超新星爆发的产物。超新星的爆发机制是天体物理的一个重要课题，到目前位止尚未有满意的解释，还在探讨之中。&WdT" 对于更高质量的恒星，当铁核形成后，中子的简并压也无法抵抗住强大的引力坍缩。这时核心的引力坍缩将一直进行下去，最后形成黑洞。bz