浅谈恒星的形成与演化
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浅谈恒星的形成与演化
从弥散的星云形成恒星首先要经过星云的引力收缩,因此星云坍缩的必要条件是自身引力大于气体的压力。
实际上星云中心密度一般比较高,因而中心附近的物质下落的时标要小于边缘附近的物质,中心附近物质密度增长很快,使核反应先从中心附近开始发生。
核反应放出的热能和辐射能将阻碍边缘物质下落甚至驱散它们。
星云坍缩是有一定条件的,首要一条就是星云线尺度要大于金斯波长,其次在坍缩过程中,星云必须辐射掉一部份能量以减少总能量使星云冷却并进一步收缩;另外,星云必须以某种方式损失角动量,因为角动量阻止收缩;最后,原始星云一般都有弱磁场,但随着收缩磁场被压缩,所以星云还需要某种磁能损失机制。
星云最初有一个快速收缩阶段,然后开始缓慢收缩形成原恒星。
一般质量大的星云中心停止收缩后对外的辐射压变得非常重要,甚至可以驱散外围物质,因此恒星的质量会存在一个上限。
缓慢收缩过程中,原恒星已经变的不透明,造成内部温度迅速升高,中心和表面存在巨大的温度梯度。
小质量原恒星内部对流发展充分,使得收缩时内部与表面温度接近,大质量原恒星对流层浅,将很快过渡到主星序。
当恒星中心温度达到大约800万度时,氢聚变成氦的热核反应开始,产生大量的热量,使恒星达到完全流体静力学平衡,从而成为我们熟悉的正常的恒星,称主星序。
值得一提的是,任何温度下粒子速度
分别都是麦克斯韦-玻兹曼分布,因而总有一些粒子动能非常大,同时根据量子隧道效应,即使粒子的动能小于库仑势垒的高度,它仍有一定概率穿透势垒。
综合两方面因素,最终氢核聚变的温度降低到700万度左右。
对于热且密度低的恒星,内部压力主要是气体压力和辐射压;而对于冷且密度高的恒星,内部压力主要是简并压。
所谓简并压,是指一种量子效应造成的压力。
根据泡利不相容原理,当一个1/2自旋的电子处于某一能级上时,只能允许另一个自旋-1/2的电子处在这一能级上,其余的电子就会被排斥,这种排斥力就是简并压。
对于小质量恒星,当中心区域氢燃烧完之后会形成一个氦核,由于温度不够高,不足以使氦进一步聚变,但随着氢外层的燃烧,氦核质量增大,大到一定程度就会由于内部压力不足而开始引力收缩。
收缩使引力势能转化为热辐射能。
这些能量注入氢外层使得外层膨胀,恒星半径增大。
从此恒星由主星序演化为亚巨星。
由于外层气体对光子逃逸的阻挡,恒星表面温度下降到一定程度会停止,而膨胀却还在继续,亚巨星变为了红巨星。
氦核由于密度增大发生电子简并,中心温度达到氦核聚变温度,聚变开始。
核的温度由于聚变而上升,中心发生绝热膨胀。
在电子简并的情况下氦燃烧是爆炸式的,因此称为氦闪。
此时氦核膨胀吸热,恒星光度迅速减小,随后进入稳定氦燃烧阶段。
同理,由于中心生成的碳氧核质量增加进一步发生收缩,氢氦双层燃烧球壳变大同时光度增大,形成红超巨星。
红超巨星外层物质发生物质抛射损失非常快,燃烧的物质迅速靠近表面而消失,最终成为行星状
星云,星云中心是原来的星核,成为碳氧白矮星。
对于中等质量恒星,到达红巨星时氦核燃烧电子是非简并的,燃烧不发生氦闪,直接进入平稳氦燃烧阶段。
外壳中的氢氦电离区会产生一种技法径向脉动的机制,恒星成为变星。
中等质量恒星最终演化有两种结局:氦层燃烧不能使碳氧核达到发生进一步核聚变的临界质量,中心不再有新聚变,则最终成为碳氧白矮星;如果碳氧核可以进一步聚变,此时碳氧核处于简并状态,碳燃烧类似于氦闪的爆炸式燃烧,形成超新星爆炸。
大质量恒星在经过氢氦燃烧生成的碳氧核是电子非简并的,一次碳燃烧也是平稳的,不过在此期间外层物质抛射很严重,由于激烈的物质抛射和内部对流,大质量恒星通常在红超巨星与蓝超巨星间反复变化几次,也正因为激烈的物质抛射,大质量恒星是星际介质特别是重元素的重要来源。
碳燃烧完开始氧燃烧,然后碳氧之间反应,之后引发镁硅燃烧,最终形成铁核。
当铁核收缩时内部温度继续上升,由于铁不再发生核聚变而发生光致分解,这是一个吸热过程,瞬间使恒星处于不稳定状态,导致超新星爆发,形成致密残骸----中子星或黑洞。
接下来的内容以后有时间再续。