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恒星结构及演化恒星结构及演化程福臻中国科学技术大学天体物理中心一 .恒星在天体物理学中的作 用引力宇宙 宇宙学星系星团 年龄和组成 提供能量 恒星 核反应 恒星演化合成元素 陨星学太阳系的形成 大气层 气候磁层 太阳 太阳风 行星际介质转动的制动 电磁辐射 生命 二. 观测事实1.恒星分类 2.赫罗图 3.距离 4.温度 5.半径 6.质量1. 恒星分类哈佛分类法(对应恒星大气的平均温度)TiO ZrO(3.0x103-2.0x103K)S 红极热兰 C线 热兰 兰白 白 白黄 黄 桔 红WC (4x104-2.5x104K) (1.15x104-7.7x103K) (6.0x103-5.0x103K) (3.6x103-2.6x103K)WN O B A F G K M N线 (2.5x104-1.2x104K) (7.6x103-6.1x103K) (4.9x103-3.7x103K) （6x104K) 早型 中型 晚型 红 红次型 B0, B1------B9, (几乎连续变化） R N dG5 矮星 (5.0x103-4.0x103K) (3.0x103-2.0x103K)gG2 巨星 碳星（C CN)cB1 超星 吸收带强 吸收带弱Be 有发射线观测事实2.赫罗图1913年美国天文学家赫茨普龙、罗 素各自独立绘出亮星的光度—温度图， 发现大多数恒星分布在图中左上方至右 下方的一条狭长带内，从高温到低温的 恒星形成一个明显的序列，称为“主星序 ”。

为了纪念两位科学家作出的贡献，人 们称这种图为赫—罗图(HR-diagram)该图显示出恒星的光度和表面温度随 时间变化的情形，横坐标是恒星的光谱 型，按照O、B、A、F、C、G、K、M 顺序排列，是恒星的温度序列纵坐标 是绝对星等，即恒星光度大多数恒星 集中在主星序,少数集中在右边中部组 成巨星序，一些光度特别大的超巨星分 布在图的上方那些温度高、光度弱的 白矮星集中在左下方一个较密集的区域 赫罗图对研究恒星的演化有重要作用 观测事实赫罗图光度与温度 关系虚线与箭头 标出了所预 言的太阳演 化曲线观测事实3.距离距离范围 太阳系（109K 中微子（能量损失）氢燃烧温度大约为107K PP Chain恒星中的核合成氢燃烧PPI PPII +PPIIIPPII PPIII 10 15 23 T6CNO Bi-cyclePP Chain15 18 20 T6恒星中的核合成Ｈe燃烧过程当 时才有可能足够的C12生成后可能发生超过N20的几率很小恒星中的核合成C燃烧MC 时才有可能 此时温度大约为6x108K13.931Mev 2.238Mev 4.416Mev -2.605Mev 吸热 -0.114Mev恒星中的核合成O16燃烧MC 此时温度大约3x109K重元素起源恒星中的核合成中微子能量损失温度大于109 K,各种复杂反应出现恒星中的核合成六. 恒星演化根据弥漫说的理论，恒星形成 可分为两个阶段，开始时先由极其 稀薄的物质凝聚成星云并进一步收 缩成原恒星，然后原恒星才发展成 为恒星。

原恒星在引力作用下收缩时， 将变得越来越密，当中心区温度达 到氢点火，便达到主星序具体停 留在主星序的什么位置，决定于原 恒星的初始质量在质量的原恒星 将停留在主星序的上部，较小质量 的则停在较下部分（赫罗图）而 对于质量小于0.08个太阳质量的天 体由于靠自身引力不能压缩它的中 心达到足够高的温度，从而使氢点 火，因而它们不能成为恒星星际气体冷却和引力不稳定原恒星主序星 热核反应（H He)平稳抛 红巨星 元素合成及中微子产生射物质轻恒星 爆发性 重恒星抛射物质 超新星爆发白矮星 弥散到星际空间 中子星 黑洞重元素丰度增加恒星演化进程图¡因此有必要对不同质量的恒星分别讨论¡根据恒星的质量可分成三类¡小质量恒星¡中等质量恒星¡大质量恒星需要指出的是这三类恒星的界线并不是十分严格的，这是因为其它因素也会恒 星的演化起到十分重要的影响恒星演化按质量的分类质量（ ） 最终阶段 主要现象 0.08以下 氢白矮星 氢未燃烧 0.08—0.5 氦白矮星 氦未燃烧 0.5—1.0 碳白矮星 碳未燃烧 1.0---3.0 碳白矮星 红巨星、损失能量，较轻的星 3---8 爆发 碳爆发燃烧型超新星 8----30 中子星 中心铁核，超新星爆发 30---100 黑洞 坍缩为黑洞1.小质量恒星的演化1.对于 小质量恒星在赫罗图上的演化(5) (4) (3)(2)(1)(6) 白矮星(1)主序星(2)向红巨星演化(3)氦闪(4)水平分枝(5)渐近巨星分枝AGB向红超巨星演化有效温度Te光 度 L小质量恒星的演化¡(1) 中心H燃烧，此时处于主序阶段¡(2) 向红巨星演化 中心的氢己全部燃烧完而变成一个氦核， 在氦核的外边缘处出现一氢燃烧壳层。

当星核的氢耗尽后，热仍继续发出，由于无核燃料补充这一亏损，核心便收缩 ，由此引起核心和核心上的层加热结果在氢变为氦之外的壳层又燃烧氢由于氦 未燃烧，它损失能量便继续收缩，这种收缩又使壳层中由氢变为氦的’灰烬‘更多地 进入星核这种缩小使得星核界面处的引力越来越强，氢壳层受到的引力也越来越 强，但它受到的压力仍等于它上面的柱体中的物质的重量，所以壳层中的压强也随 之增大而压强的增加使得壳层中的密度和温度相应地就变大，这便提高了氢的燃 烧速率HeHH小质量恒星的演化¡这样我们会看到在这个过程中中心氦向内收缩，而壳层源外部的外壳向外膨胀， 这使得中间层变大，对于给定的光度，由 可看出R的增大必然会降低Te 因此主序后的星在赫罗图上的演化是从主序移向右端的由于表层的膨胀和变冷便 呈红色，但红星的Te不能无止境地降下去，光球阻止随着温度下降而光子会迅速渗 出因此，这时在赫罗图上表现为几乎垂直上升到巨星支随着红巨星光度的增加 ， 辐射辐射耗散变得不稳定，红巨星的包层发生对流当红巨星的核心再收缩时，温 度可高达108K，于是氦点火， 过程开始3)氦闪 (4)降到水平分枝 这种核心燃烧氦、壳层燃烧氢的状态称为水 平支HeH小质量恒星的演化¡低质量星核心氦的点火是在简并条件下，因此它缺少主序星核心氢燃烧时的安全 阀的特性（即小温度较高将导致压力改变，从而降低温度），红巨星的压力升高是 由于简并主效应，不是由于热效应，使得星核的温度升高导致更多的核能产生，即温度升高 更多核能产生 温度更高 于是产生 “氦闪”，氦闪时温度升高到足以改变简并态，正常气体又超过简并压，星 核又膨胀，膨胀的结果降低了星核边界处的引力，从而减弱了燃烧氢的壳层，光度 也随之降低，光度的降低使红巨星难以呆在红巨星处，于是收缩且光度本质上变得 较暗,在赫罗图上表现为降到水平分枝。

从这以后星核成为正常的（非简并）氦等离 子体，它稳定地变为碳5)升到渐近 巨星枝(AGB) 向红超巨星演化C，O HeH¡ 当水平分枝核心的的氦燃尽后，核心收缩，从而升高外层的压力和温度核心外层氦点 火，氢由在此之个层燃烧，现在恒星处于双壳层燃烧阶段最里面的碳-氧核心的质量继续增 加，并继续收缩由于双壳层燃烧产能而增加光度，外部包层发生膨胀，恒星又上升到红巨星 分支，这种双壳层产。