恒星的演化

恒星的演化

§主序星的演化

1、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。引力在其中起了关键的作用。恒星从星云中诞生，这个结果是引力造成的，因为引力使得星云中的物质聚集成了恒星。但是另一方面，引力会使得它在体积上不断收缩，为了使得引力作用在某种程度上达到平衡，恒星需要在内部产生能量，产生能量的目的是为了抗衡引力，否则它会持续收缩。在达到平衡的过程里，恒星要付出代价，恒星要不断消耗自身物质，产生新的元素，元素在转化的过程中能量释放出来，内部结构也会发生变化，最终有一天恒星没有任何能源可以供给，它的生命就结束了。所以说恒星的一生是一部与引力斗争的历史。

2、Russel-Vogt原理

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会完全唯一地由初始质量和化学丰度决定。这个原理在实际上可能不是非常符合，因为恒星的质量会不可避免地发生变化，但是初始质量和化学丰度仍然是决定恒星结构和演化的重要因素。这里我们主要谈质量的影响。

3、恒星演化时标

核时标（Nuclear Timescale）：恒星内部通过核心区（约占恒星质量的十分之一）核反应的产能时间。比如太阳，它并不是把所有的质量都烧光了，它其实只有0.1倍太阳质量作为可用的燃料。我们有下面的结果：

E是它总的能量，L是光度，也就是它能量消耗的速率，E可以写成ΔMc2，，其中ΔM是恒星核心区的质量，并不是恒星的总质量，η是能量转换的效率。上式是以太阳质量和太阳光度作为单位的。一旦恒星的核燃料烧光了，它会快速地变化，进入新的平衡状态，新的平衡状态转变的时标比核反应时标要快得多。

热时标（Thermal Timescale）：恒星辐射自身热能的时间，或光子从恒星内部到达表面的时间，是指恒星把自身能量或热量全部辐射光了。这个发生在恒星把自身燃料烧完了，没有新的燃料供给，它完全通过把原来储藏的热量散发出去。

动力学时标（Dynamical Timescale）：如果恒星内部压力突然消失，在引力作用下坍缩的时间，近似可以看成自由落体。

在自由落体过程中坍缩的时间，如对太阳这样的恒星只需半小时的时间就可以坍缩成更加致密的天体。坍缩的时间依赖于半径。并且即使是同一颗恒星不同区域坍缩时间不同，半径越小的区域坍缩得越快。超新星爆发就是这样的动力学时标不一致造成的。

如何通过观测的手段来挖掘恒星演化的信息呢？这时候统计就变得非常重要了。我们今天看到最多的是主序的恒星，年老的、年轻的恒星相对比较少。这样或许可以说明不同恒星演化时标不同，主序星演化的时标最长。我们同样可以在赫罗图上找到答案。恒星演化的不同状态在赫罗图上的位置等都不同。

4、主序星的演化

主序星：在赫罗图上位于主序带的恒星。

主序星的性质：

★均匀的化学组成（通过对流）

★核心H燃烧

★质量范围：0.08M

⊙＜M＜~100M

⊙

★质光关系和质量-半径关系：L~M2.5-4，R~M0.5-1

主序星在赫罗图上的演化：主序带——主序星从核心H燃烧开始到结束在赫罗图上占据的带状区域。看下页图。恒星一开始落在主序带的最左侧，也就是这条橙黄色的线代表的，这是新生的主序星。但是随着时间的推移，它的位置逐渐向右边偏移，这意味着它的表面温度要降低一些，它的总的光度有的升高幅度大，有的升高幅度小。当恒星到达右边蓝细线的时候，它的核心氢就燃烧完了。恒星最早是从零龄主序（Zero Age Main Sequence, ZAMS）开始，这是刚刚开始核心氢燃烧的恒星，在赫罗图上占据主序带的最左侧（下页图橙黄色线）。随着时间推移它会逐渐向右推移，这经历的时间不同，要看恒星的核演化时标（核反应时标）。

质量越大的恒星演化得越快，寿命越短，恒星的质量决定了寿命。因为质量越大，它燃烧得也越快。

下标给出了不同质量的主序星的演化时标

但它花的效率少。

在演化过程中，时间长短不一致，但它们内部发生的次序几乎是相同的。主序星内部化学组成的变化是：随着核反应的进行，核心区的H元素丰度逐渐减小，直至枯竭，全部转化成He。恒星内部本身元素变化反映出我们看的表面温度和光度变化，在赫罗图上就是位置发生变化（赫罗图反映的是外表的性质）。

演化路径（Evolutionary Track）：核反应4H→4He?核心区总的粒子数n↓→核心区气体压力P c↓?核心收缩R c↓?核心区温度T c↑，核反应产能率（它依赖于温度）ε↑?光度L↑?包层压力P↑?恒星半径R↑（以上带有下标c的代表是核心的，c=core）。由于半径增加了，使得它的温度稍微降低了一些，原因就是之前的Stefan-Boltzmann（斯蒂芬-玻尔兹曼）定律：L=4πr2σT4。虽然L增加了一点，但是由于半径的增加更快，是平方关系，所以导致恒星表面温度下降更快。这是表面温度，不是核心区的温度。对于恒星演化来讲，他核心区温度始终在增加。§恒星主序后的演化

不同质量恒星一生演化也不同。对于大质量恒星，它从气体云坍缩中形成一个正常的恒星。一开始是主序方式存在，当主序结束以后会进入超巨星阶段，体积会变得非常庞大，这个过程经历时间非常短。这之后会发生超新星爆发，形成黑洞或中子星。在超新星爆发的过程中有大量的物质被抛射到星际空间去了，这些物质可能又会形成下一代的恒星。对于小质量恒星，它也是从云块坍缩中形成主序星，在主序星漫长的过程结束以后进入巨星阶段（不是超巨星）。它的死亡相对温和，不是通过爆发，最终形成一个白矮星，外层气体包层被抛射出去，形成行星状星云。

1、类太阳恒星的演化（上图一定要记住，下面经常会提到图中的数字）

★脱离主序——亚巨星支（Subgiant Brunch）

①在赫罗图上（恒星表面）：恒星逐渐向右脱离主序，向亚巨星演化。亚巨星是在主序上面，但是在巨星下面，我们叫亚巨星。

②内部过程：核心H枯竭，He核收缩，壳层H燃烧，体积膨胀，表面温度降低。因为恒星中心氢燃烧完了，留下氦，恒星内部是氦核作为核心的，但是从前面知识知道，氦燃烧需要1亿℃的温度，而氢在1000万℃左右就可以燃烧了。这样氦生成之后并不是马上进行燃烧，这是核心压力和温度达不到氦燃烧条件造成的，在这情形下核心并不在燃烧，燃烧的是壳层的氢。

原因——中心实际上没有能源了，没有能源的话，单靠热量支撑不了核心区，所以核心区会在引力作用下坍缩，这个区域半径减小，温度升高。温度升高了，结果是在核心氦没燃烧前，周围壳层氢燃烧了。我们知道，恒星从中心到边界它都分布着氢元素，只不过里面的氢完全被烧光了，但是稍外一点的地方氢依然存在。所以由于核心的收缩导致的温度增加，使得壳层氢先燃烧。因此在核心燃烧过程结束之后先进行壳层氢燃烧。壳层氢燃烧意味着燃烧源离整个包层更近，因为它更外面一些了，它不是在最核心的区域里面，所以能量更容易传输到表面上去，使得整体体积膨胀。因为燃烧导致的光子带来的气体压力推动了恒星整体体积膨胀，膨胀的结果是温度降低，它变得更大了，但是外表面变得更冷了。所以恒星在这个时候在赫罗图上，恒星向右方变化，因为温度降低，但壳层氢燃烧与

原来核心氢燃烧在光度上差别并不是很大，所以在纵坐标上的变化并不是很明显。所以它几乎是水平状的向右边变化，这就是我们所谓的亚巨星分支的来源（图中

1到2）。这个过程会一直持续下去，如果核心氦不燃烧的话它一直膨胀一直冷却下去。

内部过程：核心H枯竭，He核收缩，壳层H燃烧，体积膨胀，表面温度降低。τ≈108yr

★红巨星分支

但是恒星不会沿着这条路一直走走到非常冷的阶段。它到某一个特定温度（3000K左右），它停止向右迁移，反而向上攀升到红巨星分支（图中从2到3的过程）。原因：内部结构变化造成的。

所以综上我们看到1到2光度基本不变，2到3表面温度几乎不变。光度的升高，伴随着半径的增大。这时候，恒星体积会变得非常大，变得非常明亮。

在亚巨星这个阶段，由于核心氢燃烧停止，导致核心氦处于一直收缩的阶段。在达到它的点火温度之前收缩过程是不会停止的。这意味着它的体积一直在减小，于是发生这些现象：温度持续上升，导致壳层氢温度也在上升，使得壳层氢燃烧效率变得更快了，更多的氢投入燃烧的过程里面了。这就是光度上升的原因——核心温度变得更高了，温度变高不是燃烧造成的，而是由于氦核收缩导致的。通常正常的主序星是不会发生这样的事情的，因为正常的恒星我们前面的知识知道，它有一个自我调节的功能：如果温度升高，核心会膨胀一点，最终把温度降下来。但是氦核做不到这一点，因为这时候它处于电子简并状态。在氦核很小的区域密度太高了，高到电子不遵循理想气体状态方程了，它表现为简并状态。所谓简并状态就是低能态都被占据了，很多电子在相同温度下必须占据高能态，这就是电子简并。

壳层氢燃烧导致光度急剧升高了，同时更多的光子传到恒星表面，这传输过程使得恒星体积进一步膨胀，本来温度应该更加下降了，但是这膨胀导致温度降低达到一个极限，这个极限叫Hayashi Track（林忠四郎线）。

综上所述：内部氦核进一步收缩R c↓→导致T c↑，核区电子简并→壳层氢先燃烧L↑→R↑→T↑→恒星包层产生对流→Hayashi Track（林忠四郎线）。τ≈105yr ★Hayashi Track（林忠四郎线）：

它和图中2到3的过程非常相近。林忠四郎线含义：恒星温度下降导致在包层里产生对流，本来像太阳的恒星的包层就是对流为主的，但是随着膨胀，对流在这区域变得更大了，如果说表面温度降得更低，低到连对流都没有办法有效传递能量的时候，这个时候恒星就变得不稳定了，因为辐射已经不再有效了，如果对流这个时候它的效率也达不到恒星热平衡的条件的话，这样的恒星本身是不存在的。所以林忠四郎线的含义就是以对流传输能量的恒星能够达到的最低的温度。更低的温度这样的恒星在本质上是不能够存在的。

由于这个原因恒星温度并没有下降，而是向上走，沿着林忠四郎线，沿着边界的温度向上攀升。这种攀升如果说核心氦性质不变的话，它就会一直持续向上攀升，因为壳层氢温度始终在提升。

红巨星的结构：最核心的区域是氦核，是氢燃烧的灰烬，这时候它还没有进行燃烧。在氦核外面包裹的区域是非常炽热的氢的包层，这个氢的包层在燃烧。这时候恒星是通过壳层的氢的燃烧来提供能量的。整个外面的红色庞大区域是对流为主的恒星包层，恒星的半径可能会增加几十倍。

★氦闪（Helium Flash）

上图中，2到3攀升过程结束，我们说达到了红巨星这个分支的顶点（当然是在赫罗图上啦），在顶点的时候就不会再向上攀升了。这时候发生的是氦的燃烧过程。

在恒星内部，首先是核心氢的燃烧，核心氢燃烧光了就形成氦核，在氦核没有燃烧前壳层氢先燃烧，而氦核一直在收缩，这收缩是随着温度的升高而进行的。当温度终于升高到1亿℃的时候，核心的氦开始燃烧了。所以图中3这一点是红巨星分支攀升的顶点，因为在这一时刻核心氦开始点火了。所以我们看到从3开始，恒星实际上有两个能源，一个是核心氦的燃烧，一个是周围壳层的氢依然在燃烧，这是双能源供给的。由于核心氦的燃烧使得核心区温度进一步上升，因为原来是通过收缩释放引力能的，现在核反应释放的能量加进来了，所以温度进一步升高。但是电子依然处于简并状态。

简并电子的一个重要的性质是：简并电子的气体压力不依赖于温度。理想气体的状态方程是：

而对于简并电子，它的气体压力是：

其中n是数密度，γ可以在三分之四到三分之五之间，它和温度本身没有关系。

类似地对于正常恒星来讲，如果温度上升，意味着总的压强会上升，于是核心会发生膨胀然后把温度降下来。但是对于简并的气体，简并核心的氦核，它的温度上升，但是它的总的压强并不随温度的升高而明显地升高。所以它半径几乎维持在原来的水平上，这意味着温度没法有效地冷却下来。于是温度持续上升，导致核反应速率变得更快了，这进一步导致温度的升高。所以温度持续上升使得氦核区域快速燃烧的过程叫氦闪。这闪耀时间虽然很短，只有几分钟的时间，但是几乎一半的氦核质量被烧光了，差不多相当于1千亿个太阳同时被点亮。它也被称为氦的爆燃过程，原因就是简并电子的状态方程决定的。氦闪是理论预言会发生的现象，但是目前没有被观测到。所以在图中3顶点的位置上，停留时间极短，但是相当一部分氦被烧了。

由于这种燃烧非常快，使得温度进一步升高，最终导致简并被解除了。因为简并这个条件是温度相对来讲比较低，同时密度非常高。如果说温度提升更快的话，这时候简并就不存在了，它就被解除了。温度越高，能提供的量子态就越多，所以物质不需要在简并状态。

综上，内部过程：恒星氦开始燃烧（T c~108K）→T c↑（简并→R c不变）→ε↑→T c↑→……→核心氦爆燃（Δt~min，L~1011L⊙）→电子简并解除。

★水平分支

从图中3开始它又开始折回头向4移动。这个过程我们叫做水平支（Horizontal Branch），简称HB。它是氦（上面说的氦爆燃以后剩下的氦）开始平稳燃烧的阶段。因为电子简并被解除了，开始恢复到理想气体的状态了。所以它开始在图中从3移动到4。氦闪过后的水平支大约在5000万年左右。它既有中心氦的燃烧也有壳层氢的燃烧，这两个过程是双动力同时进行的。这个过程它本身并不是非常稳定的。由于氦这时候处于理想气体，所以它温度上升会导致核心区半径的上升。这样的过程会使它温度恢复原来的状态。由于这两个区域同时

燃烧，使得总体上当核心向外膨胀的时候，恒星总的半径开始收缩了。这是恒星演化过程中的一个非常特别的现象——核心区半径和总的半径变化是相反的（在红巨星支，核心收缩，但是整体半径膨胀）。整体半径下降的原因是核心区温度下降。因为温度下降，所以向外面的气体的压力和辐射压力减小了，这种气体压力减小导致整体的半径表现为比原来更小一些。因此从3到4过程，和等半径线相比，半径要收缩了。同时由于氦燃烧是处于理想气体状态的燃烧过程，所以整体效率跟氦闪相比变小了，这也就是它为什么光度变小了。

一般恒星演化时从3到4到5到6变化的，但是为什么我们在这里起名水平支这样一个名称呢？水平支实际上是指4左方的一个区域，见图中的4左边，它近似是水平状。这个水平支的来源是以不同质量的，或者说同一质量但是不同金属丰度的恒星，它们在从氦闪演化到核心氦的燃烧所落的4这一点分别在水平支的不同位置上。所以把每一个恒星的4连接起来恰好是水平线，它跟单个恒星演化没有关系，它是恒星集体演化表现出来的现象。水平支因此得名。

内部过程：核心He（+壳层H）燃烧→R c↑→T c↓→R↓→T↑，τ≈5×107yr

★渐进巨星分支

如果说在核心氢枯竭以后形成的是氦核的话，那么到核心氦枯竭的时候形成的是非常致密的碳核，因为氦的3α过程燃烧形成的是碳元素。它在赫罗图上的位置和红巨星很相似，只不过多了一层：最核心的是碳，在碳外面是氦的壳层，在氦的壳层外面是氢的壳层，最外面是恒星没有燃烧的包层。所以从4开始恒星进入核心氦燃烧结束而壳层氦和氢燃烧这样一个阶段，这就是我们所谓的渐近巨星分支（Asymptotic Giant Branch, AGB stars）。因为图中4到5的攀升过程跟2到3巨星分支本身是相似的，一个渐进趋近的过程，所以我们称它AGB。

总结一下：对于类太阳恒星，它每一次中心燃料烧光之后，它都伴随着恒星膨胀和温度下降，这是它的一个特点。如果是核心开始燃烧了，不管是氢还是氦还是更重的元素，一般来讲都伴随着收缩。一般趋势都是这样的。

核心氦烧光之后，类似地，碳核并不马上开始燃烧，因为碳核点火温度更高。实际上对于一个太阳质量的恒星，它的碳核永远也没有机会燃烧，它所需的温度是这个恒星没法提供的。但是碳核要维持平衡，它就得抗衡内部的引力，所以碳核也得收缩。收缩结果同样地是核心温度升高，使得在核心区外的那层氦也开始燃烧了，而原来那壳层氢一直在燃烧，这时候就是双壳层的燃烧。这是内部过程，是通过恒星结构模型计算得到的结论。它持续的时间非常短，只有1万年。

由于双壳层的燃烧，核心区温度上升，导致光度非常迅速地上升，同时辐射压力推动恒星膨胀和温度下降。同样这种温度下降也不是一直进行下去的，它也受到林忠四郎线的约束，所以这是为什么会发生渐进巨星这样一个过程的原因，它的温度达到林忠四郎线附近，只能在图中向上攀升。这是渐近巨星分支能达到的基本路径。

内部过程：核心He枯竭（CO核）→R c↓→T c↑→壳层He和H燃烧→L↑R↑T↓,τ≈104yr

★热脉冲现象

到达这个路径的顶点之后，恒星会发生一些不稳定的过程。如果我们从热平衡和流体静力学平衡分析的话，对于两个壳层同时燃烧的过程，这个时候很难维持一个像正常恒星那样的流体静力学平衡。于是恒星在演化到一定程度的时候会发生热脉冲（Thermal Pulses）这样一个现象。它实际上是一种脉动现象，就是恒星会发生膨胀、收缩，膨胀、收缩……这样的过程。

原因：在壳层里面发生了新的氦闪现象。因为壳层随着核心的收缩，它的密度发生显著地升高，这升高的结果使得它壳层里面氦达到简并气体的这样条件。而简并气体燃烧和核心氦闪类似，是快速的、爆发性的燃烧。这种燃烧如果发生在核心区的话，它还能够被周围的物质把它能量吸收掉，所以恒星还能够大体维持平衡。但是如果发生在壳层里面，因为它离恒星表面更近，这时候可供吸收的物质变得更少了，所以恒星变得很难再维持原来的状态。于是恒星会发生规模非常大的膨胀现象。这个膨胀尺度会非常大，整体向外膨胀，大到恒星外面的物质可以脱离星体的束缚，也就是引力不足以控制外围的物质，这些物质脱离恒星原来的母体，变成星际物质的一部分，这就是包层的抛射的现象。这个过程脉动会发生多次，每一次都伴随着物质的流失和抛射，恒星在死亡的时候25%至60%的物质都流失光了，甚至最后只剩下中心的碳氧核心。所以我们看到外围包层抛射出去的行星状星云气体物质。遗留下来的核心是高温简并碳氧核心，它温度达不到，依然无法燃烧。这就是所谓的热脉冲的现象。

但是热脉冲之后我们再讲恒星的演化，在理论上是没有办法计算的。因为从热脉冲开始，恒星的演化就变得非常快了。目前我们的计算机能力还没有办法计算恒星快速的演化过程，所以从1到5是我们可以计算的，但是从5开始是根据观测和理论分析预计的。但是对单个的碳氧核心冷却我们可以是精确地计算的。在这个过程到底抛射了多少物质，这是不确定的，它依赖于恒星自身的性质，依赖于它的环境等等，跟很多因素有关系。

内部过程：壳层He闪（不稳定燃烧）→恒星脉动（热脉冲）→抛射红巨星的包层（25%至60%恒星质量）→行星状星云+高温简并碳氧核心。

★碳氧核最终会坍缩成为白矮星：

从5开始，它（恒星的核心，外层都被抛射出去了）在赫罗图上快速地向左方移动，它的光度几乎不变，是一个大致水平的运动（因为内部没能源了，可供的能源只有内部的热能，它原来收缩导致的温度升高的过程）。另一方面，在收缩的过程里面，它的表面温度会持续增加，所以它会向左边移动。因为核心能源枯竭之后，它没法支撑它的引力，它只有通过收缩的方式释放更多能量，试图以气体压力和辐射压力来抗衡引力，但是即使是这样，它也做不到完全抵消引力的影响，所以收缩过程是不可阻挡的，一直持续下去，持续到它的内部完全变成简并气体。它原来只是最核心的部分，但是当它内部完全变成简并气体，这个时候由于密度非常高，所以简并压力会非常大，所以恒星会以简并压来抗衡引力。到这样的程度恒星就不在收缩了，它维持一个相对平衡的状态了。我们把这样的恒星称为白矮星（White Dwarf）。它是以电子简并压力抗衡引力，理论上不属于恒星，因为它不会发生核反应。它是通过量子力学的效应维持自身存在的。

内部过程：核心收缩→T↑行星状星云向外弥散，τ≈105yr

★白矮星冷却

当白矮星形成了，它不再继续向左，不再继续收缩了，白矮星接下来能做的只有冷却。因为通过收缩释放了大量的能量。它的温度非常高，光学波段看上去是高温的白色的天体，所以我们叫它白矮星。但是它很小，光度不是很大，所以白矮星（高温白色的致密天体）位于赫罗图的左下角。但是随着冷却它会逐渐变成黄色的、红色的，最终是黑色的致密天体。

内部过程：白矮星冷却→黑矮星

说了那么多，还不如来一幅图（图片来源：维基百科）

★行星状星云（Planetary Nebula）

低质量恒星，或者说中小质量的恒星在死亡时抛出的气体包层，它会缓慢地往外消散。它受到中心高温白矮星的辐射电离而发光，通常为环形，年龄不超过~5×104年。行星状星云属于发射星云。

在中心有一颗白矮星，它的光，特别是紫外光子照射在这些气体云上面，那些紫外光子携带的能量被气体云吸收，使得电子跃迁到高能态，激发态上，然后再从激发态跃迁到基态，产生光。这个过程我们叫再辐射。

看下面的示意图。在理想的情况下，行星状星云是像蛋壳一样的，因为它是球对称的，物质我们认为是球对称从恒星的表面被抛射出来的。像中心的高温碳氧白矮星，它所产生的辐射会均匀地照射在气体的每一部分。所以它们都会发光。但是我们观测者从任何一个位置去看的时候，比如说我们从右边看（上图To the Earth）你看到发光气体数量是不一样的。

看看下面图的螺旋星云照片。中心的区域（示意图中的A这个区域）它所包含气体的含量少一些，所以它们的发光程度相对于两端BC区域来讲，因为气体含量不一样，所以它们明亮程度是不一样的。越是边缘的，气体含量越多，所以它越明亮。因此我们看到的实际上是一个气壳的一个截面，就是它的外圈。所以我们看到的这个壳状的结构实际上是整个三维球壳的一个截面。它在中心区域依然是有气体的。前后都有气体但是非常稀薄，含量很少。

气体云本身在向外面膨胀，所以它的年龄不会很大。因为随着它的演化，它的气体越来越稀疏，所以它的发光量越来越小。另一方面我们知道白矮星本身温度也在随着时间减小，所以我们只有在白矮星最明亮、气体最稠密的时候才能看到行星状星云。它的年龄一般不超过五万年。过了五万年之后，气体几乎和周围

的物质融合在一起了，就看不到它了。

第一个被发现的行星状星云是狐狸座的哑铃星云（Dumbbell Nebula）。还有其他星云，如指环星云（Ring Nebula），猫眼星云（Cat’s Eye Nebula）等等。你会发现很多行星状星云是偏离球对称的，它更多的是轴对称或者是点对称的。如指环星云，你可以明显地在边缘看到星云的外层和周围的星际气体相互挤压所产生的辐射。

再如下面的猫眼星云。它实际上是两次或者多次的气体抛射所产生的。因为我们看到这里有两个环状结构。它们肯定不是同一个时间的、同一次物质抛射形成的。类似这样的例子还很多，比如沙漏星云，它是由几个环构成。所以我们可以看到，恒星在抛射物质的时候并不都是球对称的。它更多的是轴对称或者点对称的。但是你对每一个行星状星云观测发现，中心都有一颗亮星在那里。所以对于行星状星云物理本质已经了解得比较清楚了。它是由恒星的再辐射造成的。

2、较高质量恒星的演化

与低质量恒星的区别：

①：恒星内部的H燃烧通过CNO循环进行，内部温度更高，辐射压对维持恒星的力学平衡起更大的作用，主序星寿命更短。

②：He核不再是简并的，C和更重的元素的燃烧可以平稳进行。它不发生氦闪现象，在这样的恒星内部氦核可以平稳进行燃烧。但是对于一部分恒星，碳的燃烧是有争议的。有些理论模型发现，碳元素燃烧，特别是在核心碳刚刚形成的时候，核心可能会发生爆炸性的“碳闪”现象，类似于氦闪。这种碳闪现象可能会把整个恒星炸烂。这种模型逐渐地被观测给否定了，但是从理论上并不能完全排斥它。

③：核心区核反应产生的能量主要以对流的方式向外传递。

例如：5倍太阳质量恒星的演化（在赫罗图上）：

I、恒星向右方移动成为红（超）巨星。（核心H枯竭→壳层H燃烧）

II、恒星向左方移动（核心He平稳燃烧）

III、恒星向右上方攀升至红超巨星（核心He枯竭→壳层He和H燃烧）IV、恒星向左方移动，然后折向右下方（？）（红超巨星→行星状星云+高温CO核，CO核坍缩→高温白矮星，白矮星冷却→黑矮星）。

现在认为5倍太阳质量恒星演化最终留下的也是白矮星，碳氧核不燃烧。

3、高质量恒星的演化（大于10倍太阳质量的恒星）

这样的恒星演化得更快，也更复杂。这里给出示意图，并不是真实的演化路径，真实的演化。真实的演化路径很复杂。

恒星从一开始的主序星（15倍太阳质量，O型）很快变成超巨星。它的颜

色也在快速变化，它从蓝颜色到黄色到红色，会经过多次来回回转过程。通常来讲每一次偏折都意味着某一种元素在核心的枯竭或者点火。最终当所有元素不能继续燃烧之后，发生超新星爆炸，留下致密的核心。

内部过程：核心H枯竭→壳层H燃烧→核心He燃烧→核心He枯竭→壳层H和He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。

恒星一直到最后形成多壳层结构：最中心是铁，外面逐渐包裹着硅、硫、氧、碳、氢等，它们都在燃烧。

铁核形成之后，中心区域不再有能源供给。看下图：

最后的结果是铁核会发生坍缩，因为引力影响，核心半径会急剧收缩，温度会上升。温度上升又会导致核心里面粒子相互的碰撞会变得非常剧烈，这种碰撞会使得铁核里的铁原子核最终会被瓦解，这瓦解的过程是由于里面能量太高了，相互碰撞以及铁核吸收了由于收缩释放的大量能量之后，超过了结合能，使得铁核不能稳定存在，最终它会分裂成氦核。氦核最终也会经历离解过程，原因是整个演化过程里核心一直收缩，温度始终上升。所以氦核也不能稳定存在，它继续离解变成质子和中子。因此氦核离解之后不存在重的原子核了，整个核心都是由质子、中子、电子等其他粒子构成。但是质子又不能稳定存在的，它会很快和电子结合，形成更稳定的中子，同时这个过程里面释放出大量的中微子。所以我们说中微子是超新星爆发的前奏。由于中微子大量产生，它迅速把核心能量带走了，原因是中微子是弱相互作用粒子，它几乎不和物质发生作用，所以它把许多能量带走，但是又不和光子一样和物质发生作用，这会导致能量损失过程和压强减小。你在核心区本来就没有能源来抵抗引力，它是收缩来释放引力势能的，但是这释放出来的引力势能所变成的热能又被中微子带走了，所以它的内部压强进一步降低，降低的结果是星核发生类似于自由落体那样的坍缩过程。坍缩时标非常短，它是在毫秒量级的时间发生坍缩的。它会一直坍缩，除非有一种力能够抗衡引力一直到中子发生简并，这时候中子简并压力来对抗引力。中子发生简并是要求核心密度要高到和核密度相当，也就是整个星体可以看成像原子核那样，密度大概在1014g/cm3左右。这时核坍缩停止了，中心留下非常非常致密的几乎都是由中

子构成的核，我们称为原初中子星（Proto Neutron Star）。恒星外层的物质在继续下落，它们动力学时标大于内部中子星形成的时标，所以它们下落得更晚一点。但是它们最终会下落下来，以自由落体接近中子星表面。在接近中子星表面的时候，这些物质会接近光速，会和中子星表面发生剧烈碰撞，碰撞结果是大量能量释放出来，产生一个反弹的激波，向外面传输。这个反弹的激波使得整个壳层被抛射出去。同样在整个过程里面中微子的流失一直在持续进行，中微子在这个过程里面也会带走能量，也会和物质发生相互作用。抛射同时伴随着能量的爆发现象，产生了超新星爆发过程。超新星爆发使得整个恒星包层物质被炸光了。这就是大质量恒星在死亡的时候发生的过程。在某些情况下核心会坍缩成黑洞。

前面介绍的理论可以预计超新星爆炸的发生，在观测上我们也看到了超新星爆发，但是实际计算的时候我们遇到了很大的困难：在整个爆发过程里面，我们用数值计算的方法去计算爆发前的一个大质量恒星到爆发后整个的演化，发现激波在传播过程中并不能有效地把整个包层都抛射掉。换句话说，目前为止我们的数值计算工作没法证实恒星演化理论确实可以发生超新星爆发现象。这意味着数值计算理论引用的假设、一些物理过程可能是不完善的。比如，我们的假设是球对称的，只有一维的半径的量为变量。但是实际超新星爆发可能并不是球对称的，从超新星遗迹可以看出。另外一个重要证据是：如果是球对称的话，中子星受到的力是完全相等的，所以中子星形成之后应该是静止不动的，或者说运动速度非常小。但是实际我们发现中子星是宇宙中运动最快的天体，往往达到几百甚至上千公里每秒。这说明中子星在形成的时候受到一个冲击力，这个冲击力必定不会是球对称的。这说明爆发过程比我们想象的复杂得多。现在我们把各种因素考虑

4

特大质量恒星星风引起的质量损失大：

高光度恒星通常有很强的星风，大约10-6至10-4M⊙每年，如沃尔夫-拉叶（WR）星。相比之下，一个太阳质量的恒星大约每年损失10-14至10-13 M⊙的质量。特大质量恒星在演化过程中会丢掉大部分物质。

演化过程：

O型星→蓝超巨星→（红超巨星）→WR星→Ib/Ic型超新星→中子星/黑洞。

沃尔夫-拉叶星有两类，它们表面从谱线上看，氢的谱线几乎都消失了，有

见上图。中小质量恒星有的经过氦闪，有的没有经过氦闪。

5、超新星和超新星遗迹（简单地介绍一下）

II/Ib/Ic型超新星：

高质量恒星在演化末态发生的剧烈爆炸，都称为核坍缩型超新星。有些超新星爆发甚至可以和整个星系的亮度相比。所以超新星是一个很好的定标工具，我们测量最遥远的星系的距离实际上依赖于超新星，因为它很亮。

●超新星命名规则：SN爆发年份+英文字母。

●特征：光度L~107至1010L⊙

爆发能E~1047至1052erg·s（其中中微子占99%，动能占1%，可见辐射占0.01%）膨胀速度v~103至104km/s

●产物：膨胀气壳（超新星遗迹）+致密天体（中子星或者黑洞）。超新星实际上是除了伽马射线暴光变幅度最大的。它是在毫秒量级变化的。

①谱线特征：I型超新星没有氢线，II型超新星有氢线

②I型和II型光变曲线不同。

但是这样分类并不能反映爆发内在的物理性质，所以又把它分为核坍缩型和真正的Ia型超新星。

爆发机制：

Ia型超新星爆发：双星系统中吸积白矮星的C爆轰（在讲白矮星的时候单独介绍这类超新星）。

1987年2月23日爆发于LMC（d=170000ly），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-69°202，B3I型蓝超巨星（L~105L

⊙，T~16000K，M~20M

⊙

，R~40R

⊙

）。

可是1987A它是一颗蓝色的超巨星，和传统的恒星演化理论相矛盾。一般

来讲，超新星爆发的时候，大质量恒星通常来讲已经演化到铁核形成了，在那个时候恒星通常表现为红色的超巨星，因为内部能源消耗光了，所以通常是靠外面壳层各种元素的燃烧产生热量的，会以红色的方式表现出来。但是这个蓝色的巨星和我们的理论相反。为此人们提出了不少模型。目前更加流行的是双星系统的模型。

通过光变曲线我们可以知道它是一颗II型超新星。它必定是产生一个致密星的。但是将近20年的研究过程发现，并没有中子星或者黑洞的迹象。我们不能做出一个肯定的结论。

超新星1987A的中微子探测：

超新星爆发的大部分能量被中微子带走

→中微子辐射能5×1053erg·s

→辐射5×1058个中微子

→爆发前20小时中微子流量5×1014m-2

在爆发前1.8-3小时，日本Kamioka和美国IMB的探测仪测量到19个中微

子。

超新星1987A的遗留物——环状星云。

关于SN 1987A还有许多谜题，比如它的前身星、遗迹的环状结构等等。

★超新星遗迹

超新星遗迹是超新星爆发跑射出的大量物质在向外膨胀过程中与星际物质和磁场相互作用而形成的气体星云。气体向外膨胀的速度非常快，可达几千甚至上万公里每秒。所以在向外膨胀过程中，它和外面的星际介质发生撞击，产生强烈的激波。由于激波的产生，导致了气体加热的过程。这个过程会使得粒子的运动速度非常快，在很多情形下会接近光速。而在星际气体里面，磁场是一般普遍存在的，这样告诉运动的粒子在磁场产生运动会产生同步加速辐射。同步加速辐射就是：一个粒子在磁场背景下面，它的运动受到磁力线的控制而绕着磁力线做回旋的运动，如果说粒子的速度接近光速的话就是同步加速辐射。

强射电辐射和高能辐射源这两种辐射都会产生连续的从射电一直到高能的辐射谱，特别在射电波段表现得更强烈一些。另一方面，激波加热过程如果说温度可以高到107K甚至更高的温度的话，那么高能辐射也会变得很强。所以超新星遗迹给我们提供了这样一个场所：它可以从低能的射电一直到高能的X、伽马全波段的辐射都表现得比较明显。

和行星状星云类似，超新星遗迹的年龄一般＜~105年。

超新星遗迹形态分类：

①壳层型（辐射主要来自纤维状的球形壳层和星际气体的相互作用），如第谷超新星。

②混合型（辐射来自遗迹整个区域，并且由中心的致密星提供能源），如仙后座A。

更多的超新星遗迹是不规则的。它在天空中的分布受到环境的影响非常大，因为我们周围的空间环境，特别是周围的气体云块的分布本身就是不规则的，所以这样的爆发在这样的环境里产生的形态也是不规则的。

其中SNR E1012-72.3这个超新星遗迹和我们现在的理论预言的超新星遗迹的演化非常吻合的。

6、恒星演化与元素合成

宇宙元素丰度：氢和氦占据了绝大部分。