课件3.2:恒星演化

低质量主序星(质量小于太阳的8倍):

低质量恒星,例如我们自己的太阳,其生命的大部分时间(数十亿年)都在主序带上度过,它们通过称为核聚变的过程将恒星核心中的氢转化为氦来维持流体静力平衡。当所有的氢都被消耗掉时,引力将进一步压缩核心,将其升高到足够高的温度,使其开始融合氦,从而暂时防止进一步坍缩。升高的温度还触发氢壳开始在恒星核心周围融合,这一过程恰如其分地命名为氢壳燃烧。所有这些增加的辐射导致恒星的外壳向外扩展,进入其新的演化阶段,即红巨星阶段。
到红巨星

在红巨星阶段及以后,这颗恒星将开始一系列复杂的聚变反应,从而显著改变结构。最终,当其所有的核燃料被耗尽时,核心将缺乏继续聚变燃烧的适当条件。这是一个非常复杂的状态,因为不同质量的恒星会有不同的核心温度,因此燃烧其内部每种元素的能力也不同。支配这些过程的数学是高度非线性的微分方程,令人欣慰的是,这些方程产生的结果与 HR 图的特征完美匹配。

最终,重力将迫使恒星的核心收缩,而前恒星的外层将膨胀成行星状星云。恒星的核心将坍塌,直到量子力学过程开始,这再次稳定了恒星。泡利不相容原理指出两个相同的粒子,在这种情况下是电子,不能具有相同的量子力学性质(粒子自旋、能量、角动量等),结果证明对恒星的结构有很大的影响。产生的压力称为电子简并压力,(我们在与Ia型超新星有关的 wiki的第3.3节中更详细地讨论了这一点) 当它的半径与地球大致相同时,它会阻止恒星进一步坍缩。当这颗恒星达到这个新状态时,据说它会变成一颗白矮星。如果没有任何进一步的相互作用,白矮星将无限期地存在,它辐射掉了从前年轻、活跃时残余的热能。
再到白矮星

高质量主序星(质量大于太阳的八倍):
质量大约是太阳八倍的恒星与它们的低质量恒星有一些相似之处,但它们在从上主序带演化的方式上也存在很大差异。像低质量恒星一样,高质量恒星将消耗核心中的所有氢,然后开始融合氦,同时在氦核心周围的薄壳中燃烧氢。这种加热也导致恒星膨胀,但它的光度和大小使红巨星相形见绌,成为另一种更明亮的光谱类型,称为红超巨星。

这些恒星将继续在其核心中不断融合较重的元素,但它们可以超越在其核心中融合碳和氧的能力,一直到铁。铁是所有元素中结合最紧密的原子核,因此在此之外融合元素实际上需要输入能量,而不是提取通常会支撑恒星抵抗自身引力的能量。在这一点上,恒星的核心将坍缩到白矮星之外,因为核心的质量如此之大,以至于即使电子简并压力也无法阻止引力的无情冲击。核心进一步坍缩,直到电子与质子结合。一个超稠密的中子球仍然存在,大约有纽约市那么大。泡利不相容原理再次发挥作用,阻止中子占据相同的量子力学状态,产生所谓的中子简并压力。在某些情况下,重力甚至比中子简并压力还要强,并且核心可能会坍塌成一个黑洞。

在核心坍塌时,发生了一种被称为超新星的异常剧烈的事件。这些是宇宙中最猛烈的爆炸之一,其中产生的能量可能大于恒星前一生产生的所有能量的净总和。超新星似乎是死亡的预兆,但没有它们,我们今天所知道的生命将是不可能的。恒星在其炽热的核心中只能将元素融合至铁,但所有较重的元素都可以在超新星中形成,因为它们的温度非常高,甚至可以合成重元素。随着这些大质量恒星的爆炸,它们的全部内容物被向外推,用重元素丰富了它们的银河系,这些元素现在可以促成恒星和行星形成的连续时期。

总结
下面是一个来自 www.spacetelescope.org精彩视频,它将帮助您了解恒星在其生命周期中是如何演变的,使用 HR 图作为视觉辅助。请注意 HR 图的所有光谱类别如何与主序星外恒星的演化密切相关。与恒星在主序带上的寿命相比,恒星演化后期所花费的时间几乎可以忽略不计,在那里它们舒适而悠闲地将氢聚合成氦。

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