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天文学导论 第9讲 小质量恒星演化 It is said an Eastern monarch once charged his wise men to invent him a sentence to be ever in view, and which should be true and appropriate in all times and situations. They presented him the words: “And this, too, shall pass away.” Abraham Lincoln (1809-1865) September 30, 1859 本讲内容 1. 小质量恒星（太阳）的主序后演化 红（超）巨星 行星状星云 （地球的命运） 2. 白矮星 3. 小质量双星的演化 激变变星 新星 Ia（热核）超新星 主序后恒星的演化 星际云坍缩为巨大的原恒星，由气体和尘埃组 成的盘所环绕 遗留在盘内的气体和尘埃聚积成行星及其卫星 、小行星和彗星等 原恒星继续坍缩直到核心的H点燃而成为主序 恒星 主序恒星：恒星核心的H在燃烧 恒星最终会耗尽其核心的H燃料：结构开始剧 变，开始快速演化 最终坍缩成为没有核燃料的致密天体 每颗恒星都是唯一的 初始质量和化学丰度决定一个恒星的命运 • 主序寿命，（赫罗图）演化路径，结束方式 • 一个（孤立）恒星形成之时就确定了它的演化程 小质量恒星和大质量恒星的演化十分不同 大致区分为两类： • 小质量恒星 3 Msun 当主序恒星核心区的氢完全耗尽，恒星开始脱 离主序，演化加快，出现一系列壮观景象 小质量恒星的演化 大质量恒星的演化 1。

小质量恒星的主序后演化 以类太阳恒星演化作为小质量恒星演化的代表 ，以此来了解太阳轰轰烈烈的一生 • 相似的初始质量（M ~1M⊙） • 相似的初始化学成分（~太阳元素丰度） 1.1 亚巨星支 Sub-giant Branch(SB) 核心H枯竭(变为He核)，壳层H燃烧  主序生 活结束，开始快速演化 He核收缩  壳层引力增加  壳层压力增加  壳层H燃烧率加快（He核质量增加） 恒星更 亮，但体积膨胀  表面温度降低  恒星更红 ！ 亚巨星结构： 非燃烧He核 + 壳层H燃烧 + 非燃烧H包层 • 在H-R图上, 恒星渐渐 向右脱离主序(12), 称为亚巨星支 • 体积膨胀  表面温度 降低，但光度增加 • 亚巨星的温度下降大约 1,000K, 1.2 红巨星支 Red Giant Branch (RGB) 非燃烧He核继续坍缩，He核半径减小，He核 温度上升  壳层H燃烧率更快（He核质量增 加） 光度增加  恒星包层膨胀  表面温 度降低  …  …  RGB He核体积持续缩小电子开始简并(压) 红巨星结构： 非燃烧简并He核+ 燃烧H壳层 + 非燃烧H包层 简并：泡利Pauli不相容原理 量子力学：质量大粒子占据空间小！ 电子先 简并 客满 客满 自旋朝上 自旋朝下 能级1 能级2 由于H–的调节  RGB 表面温度变化不大 在H-R图上，恒星向右 上方几乎垂直攀升成为 红巨星（23) ：颜色 红体积大（亮） 反向林忠四郎线 ：原恒 星主序星：H–调节 恒星沿RGB是加速向上攀升的 H壳层燃烧  He核质量增加  电子简并度增 加  导致He核继续收缩（温度升） 引力更 强  H燃烧壳层压力更大  更快H壳层燃烧  He核质量增加更快  …(相互促进）  恒 星光度加速上升  恒星沿RGB是加速攀升的 ！ 太阳从主序到RGB最顶端大约要2亿年 • SB 阶段： L  10Lsun • RGB 阶段：10Lsun 1,000Lsun • 半径增大为100倍太阳半径 太阳成为红巨星 1.3 氦闪 (Helium flash) He核质量继续增加 且继续收缩  引力 更大  H壳层燃烧 更快，且加热He核 （由引力能）  … 当He核的温度上升 到约108 K时，He开 始燃烧 (3 alpha 过 程：3He  C)  恒星攀升到RGB的 顶点（3） 由于简并，He核温度上升但不膨胀 简并He核是很好的热导体，一旦He核的中心 燃烧  几分钟内加热整个He核，瞬间整个He 核温度相同  整个He核燃烧 He核电子简并  He核燃烧， He核虽温度上 升但压力不增加（简并压主导） 简并He核 不膨胀（简并气体不满足理想气体状态方程！ ） 简并He核的温度上升  He燃烧率加快  温 度上升加快  He燃烧率加快  …..  温度 上升和He燃烧率加快相互促进 氦闪后，电子简并解除 因此，简并He核的突然燃烧是处于失控状态 ，故称为氦闪 • T =1亿 K 1.1亿K: 反应率增加40倍 •  T =2亿 K 反应率增加4.6亿倍 数秒钟之内，温度上升  热压 大于 简并压  He核膨胀冷却  电子简并解除 He燃烧是以He闪的方式开始，但氦闪仅持续 数小时 氦闪是理论推算，至今仍未观测到 He闪所产生的巨大能量 用来抗衡引力和膨胀 He 核 氦闪后, 非简并He 核变得很大  引力减弱  He燃烧核心和H燃烧 壳层的压力减小  核反 应率明显降低  恒星光 度明显下降，仅有He闪 时的1/100（包层收缩） 恒星进入一个新的稳定 态：He在正常的非简并 的核内燃烧成为C，H在 壳层内燃烧成为He 1.4 水平支 Horizontal Branch (HB) He闪后，光度降低  恒星（H包层） 收缩  表面温度上 升  恒星向左下方 移至水平支（34 ） t=100,000 years 恒星的化学成分决定 其在水平支上的位置 ： • 化学成分和太阳类似 的小质量恒星将只聚 集在RGB的左侧 • Fe丰度比太阳小的恒 星趋于分布在远离 RGB的准水平线上 • 称为水平支（HB）星 HB星结构 稳定He 核燃烧 + （+ 非燃烧He壳层） + H壳层燃烧 非燃烧H包层 HB星和主序星的比较 HB恒星非常类似于主序恒星（结构、行为） • MS 星：稳定的、非简并的核心H燃烧 • HB 星：稳定的、非简并的核心He燃烧 (和壳层氢 燃烧) HB星保持稳定仅5千万年 (HeC, HHe)： • 核心区的燃料变少 • He 燃烧的能量转换效率比H低许多 • HB星更亮  必须更快消耗燃料 恒星离开 HB 类似于离开 MS （作H  He, He  C替换） 1.5 渐进巨星支 Asymptotic Giant Branch (AGB) 在HB阶段，C不燃烧（T不够高） C 堆积在 核心 当核心He枯竭  引力 > 压力  C核坍缩至电 子简并  C核半径减小，引力上升  壳层压 力上升  加快壳层He和壳层H的燃烧  简并 C 核质量 (非半径，仍坍缩) 增长加快 引力 上升加快 壳层压力上升加快  … 因此恒星光度上升加快  恒星半径增大加快  （H-） 表面温度大致不变  类似于RGB, 恒星再次 向右上方加速攀升为红 超巨星 (45) 在H-R图上的路径非常 类似于RGB (23)， 故称为 AGB，这个阶 段的星称为AGB星（ 红超巨星） AGB星结构 简并非燃烧C核 + He 壳层燃烧 + （非燃烧He壳层 +） H壳层燃烧 + 非燃烧H包层  C核：质量增加，继续收缩，温度升高 *MS, RGB, HB and AGB星的结构比较* 当到AGB顶端（5 ）时，光度的显著 增加 + 恒星的显著 膨胀  开始抛射冷 的外层（引力微弱 ），最终留下一颗“ 裸露”的高温C核心 太阳的C 核不会燃烧！ 简并C 核质量 (和温度T) 增加  加快壳层He 和 H燃烧  …  互相促进  … （C 核收缩 ） AGB 星类似于RGB星 C (闪) ? • 决不会（对太阳）！ • 更大质量恒星可以 1 Msun AGB星  数百倍Rsun  膨胀并吞食内 行星轨道，可能包括地球 • 虽然50亿年后发生， 但远在此之前（~10亿年后 ），地球将会由于太阳光度的增加而被烤焦！ 地球的命运？ 数十亿年后，主序后半段，太阳膨胀~1.4倍， 地球温度上升，地球上的海洋蒸发。

太阳在变 大，地球失去大气，许多陨石坑灼热的炼狱 之地 作为红巨星的太阳，颜色偏红，火红的太阳将 占据地球的大半天空 地球未来的两种可能，还没有定论 • 被膨胀的太阳“吞没”（可能性较大，据最新理论） • 不被太阳“吞没”，继续围绕那个“太阳”公转 地球被膨胀的太阳“吞没” 大约77亿年后，太阳将膨胀（~200倍）到差 不多地球现在轨道的位置 • 水星和金星早已被太阳吞没 红巨星的大气稀薄，地球短时间内仍能在其大 气中作公转运动由于摩擦，地球失去速度， 从而沿一条螺旋轨道向太阳中心“掉落”，最终 撞进太阳高温部分，蒸发消失 地球不被太阳“吞没” 太阳风释放质量，因而引力减弱，结果地球公 转轨道比现在向外移动不少，有可能不被膨胀 的太阳“吞没” • 水星和金星自然是没有了 太阳（碳核）坍缩变小（白矮星），地球仍 是一颗行星，将一如既往地公转不停 • 地球外侧行星轨道同样外移一些，继续公转 1.6 恒星质量损失 Stellar mass loss 1个太阳质量主序星演化到HB星阶段要损失10%- 20%的质量演化到AGB星时再损失其质量的20% 因此结束AGB星阶段时， 1 Msun主序星的质量小于 0.7 Msun 在AGB结束时，恒星质量损失失控 • 质量损失更弱的引力更快的质量损失“更”更 弱的引力…质量损失越来越厉害，抛射速度 ~20 -30 km/s 留下炽热的简并C核 壳层He（和H） 快速燃烧 （完）为 C  “裸露”C核 质量增加 + 收缩  C核变 得越来越热 恒星在H-R 图的顶部快速从右向左移 动 （56，约5万年） “恒星”表面温度最终可达> 105 K  主要辐射高能紫 外光 (峰值波长 29 nm) 强烈的紫外辐射加热和电 离膨胀的致密气体包层而 发光，即行星状星云 1.7 行星状星云 Planetary Nebulae 行星状星云通常是低质量恒星在死亡时所抛出的气体 包层，受到中心高温“白矮星”的辐射，电离而发光 行星状星云常为环形，环绕着恒星演化后所遗留下来 的白矮星。

气体壳层不断膨胀，年龄不超过 5 X 104 年 螺旋星云 Helix Nebula The Ring Nebula 环状星云 Top: a famous planetary nebula called the Ring Nebula (M57), as it appears through a small amateur telescope, shows why astronomer thought these objects looked like planets Bottom: however, an HST image of the ring shows the remarkable and complex structure of this expanding shell of gas ？ HST 杰作：动物园, …… Planetary ne。