恒星快死时的问题

admin 2024-12-07 48 0

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恒星快死时的问题

画了一张图,画的不好,就是那么个意思。

恒星快死时的问题

说一下我对白矮星坍缩时内部物质密度变化的理解,不一定对。

恒星演化至晚期时,内部向外的辐射压消失,恒星物质在自身重力作用下向内部坍缩,恒星核密度上升。

按照万有引力定律,在质量一定时,引力与半径成平方反比,则越靠近中心,半径越小,引力越大(其实是重力越大),所以中心物质密度越高。

这是其一。

其二,恒星坍缩时,重力把物质向下压,在白矮星表面A处,因为相对面积最大,压强最小,越向下,相对面积越小,则压强越大,单位面积物质所受到的压力也就越大。

所以我认为,恒星稳定燃烧时,中心密度就比外层高,坍缩时,同样是中心密度比较高。

即使是按照密度以平均增加的形式坍缩,成为白矮星后,也是中心密度比外面高。

就是说,坍缩时,靠近中心的B-C部分的物质,在外层物质的重压下,电磁力首先被简并压替代,成为简并态,然后向外层延伸扩展。

如果物质继续向白矮星表面集中,当质量超过钱德拉塞卡极限时,电子简并压也无法阻止物质相互之间距离的缩短了,电子被压入原子核,与质子结合,成为中子,其中子的生成也是从中心开始的,同样是因为半径缩小和压强增大的原因。

在中子星模型中,表层是简并电子海,向内是铁核,再向内,铁核的比例越下降,中子的比例越高。

到中间层时,铁核基本没有了,基本都是中子。

到核心部分,密度是最高的,物质存在形态尚不可知,有强子汤、夸克海等种种猜测。

就是说,在形成白矮星时,是中心首先成为简并态,然后向外层延伸扩展。

在形成中子星时,也是中心首先成为中子态,然后向外层扩展延伸。

这是我的理解。

不知道对不对。

像太阳类的恒星随着热核物质不断向外喷发,能量丧失,会不会密度逐渐减小,质量逐步下降?

主序星阶段,因为热辐射散发粒子,质量是会下降,而密度大概不会怎么变化,恒星体积太大了。

到恒星晚年的时候,星核内的氢会消耗殆尽,就会熄火。

熄火后恒星的变化就要看主序阶段的质量了。

恒星在燃烧尽星核区的氢之后,就熄火,这时核心区主要是氢,他是燃烧的产物外围区的物质主要是未经燃烧的氢,核心熄火后恒星失去了辐射的能源,它便要引力收缩是一个起关键作用的因素。

一个核燃烧阶段的结束,表明恒星内各处温度都已低于在该处引起点火所需要的温度,引力收缩将使恒星内各处的温度升高,这实际上是寻找下一次核点火所需要的温度,引力收缩将使恒星内各处的温度全面的升高,主序后的引力收缩首先点着的不是核心区的氦(它的点火温度高的太多),而是核心与外围之间的氢壳,氢壳点火后,核心区处于高温状态,而仍没核能源,他将继续收缩。

这时,由于核心区释放的引力位能和燃烧中的氢所释放的核能,都需要通过外围不燃烧的氢层必须剧烈地膨胀,即让介质辐射变得更透明。

而氢层膨胀又使恒星的表面温度降低了,所以这是一个光度增加、半径增加、而表面变冷的过程,这个过程是恒星从主星序向红巨星过渡,过程进行到一定程度,氢区中心的温度将达到氢点火的温度,于是又过渡到一个新阶段--氦燃烧阶段。

最后恒星的命运就要看主序星时期的质量了, 在恒星中心发生氦点火前,引力收缩以使它的密度达到了-3的量级,这时气体的压力对温度的依赖很弱,那么核反应释放的能量将使温度升高,而温度升高反过来又加剧核反应速率,于是一旦点火,很快就会燃烧的十分剧烈,以至于爆炸,这种方式的点火称为闪?quot;,因此在现象上会看到恒星光度突然上升到很大,后来又降的很低。

另一方面,当引力收缩时它的密度达不到-3量级,此时气体的压力正比与温度,点火温度升高导致压力升高,核燃烧区就会有所膨胀,而膨胀导致温度降低,因此燃烧就能稳定的进行,所以这两种点火情况对演化进程的影响是不同的。

恒星在发生氦闪光之后又怎么演变呢?闪光使大量能量的释放很可能把恒星外层的氢气都吹走,剩下的是氦的核心区。

氦核心区因膨胀而减小了密度,以后氦就有可能在其中正常的燃烧了。

氦燃烧的产物是碳,在氦熄火后恒星将有一个碳核心区氦外壳,由于剩下的质量太小引力收缩已不能达到碳的点火温度,于是他就结束了以氦燃烧的演化,而走向热死亡。

由于引力塌缩与质量有关,所以质量不同的恒星在演化上是有差别的。

M<0.08M⊙的恒星:氢不能点火,它将没有氦燃烧阶段而直接走向死亡。

0.08<M<0.35M⊙的恒星:氢能点火,氢熄火后,氢核心区将达不到点火温度,从而结束核燃烧阶段。

0.35<M<2.25M⊙的恒星:它的主要特征是氦会点火而出现氦闪光。

2.25<M<4M⊙ 的恒星:氢熄火后氢能正常地燃烧,但熄火后,碳将达不到点火温度。

这里的反应有: 在He反应初期,温度达到108K量级时,CNO循环产生的13C,17O能和4He发生新的(α,n)反应,形成16O和20Ne,在He反应进行了很长时间后,20Ne(p,γ) 21Na(β+,ν) 21Na中的21Na以及14N吸收两个4He形成的22Ne能发生(α,n)反应形成24Mg和25Mg等,这些反应作为能源并不重要,但发出的中子可进一步发生中子核反应。

4<M<8→10M⊙的恒星,这是一个情况不清楚的范围,或许碳不能点火,或许出现碳闪光,或许能正常地燃烧,因为这是最后的中心温度已较高,一些较敏感的因素,如:中微子的能量损失把情况弄得模糊了。

He反应结束后,当中心温度达到109K时,开始发生C,O,Ne 燃烧反应,这主要是C-C反应,O-O反应,以及20Ne的γ,α反应: 8→10M⊙<M的恒星:氢、氦、碳、氧、氖、硅都能逐级正常燃烧。

最后在中心形成一个不能在释放能量的核心区,核心区外面是各种能燃烧而未烧尽的氢元素壳层。

核燃烧阶段结束时,整个恒星呈现由内至外分层(Fe,Si,Mg,Ne,O,C,He,H)结构。

4.恒星的终局现在我们已经知道,对质量小于8→10M⊙的恒星,它会因不能到达下一级和点火温度而结束它的核燃烧阶段;对于质量更大的恒星,它将在核心区耗尽燃料之后结束它的核燃烧阶段,在这以后,恒星的最终归宿是什么? 一旦停止了核燃烧,恒星必定要发生引力收缩,这是因为恒星内部维持力学平衡的压力是与它的温度相联系的。

因此,如果恒星在一?quot;最终的平衡位形,它必须是一个冷的平衡位形,即它的压力与它的温度无关。

主序星核心H耗尽后,离开主序是阶段开始了它最后的历程。

结局主要取决于质量。

对于质量很小的星体由于质量小,物体内部的自引力并不重要,固体内部的平衡是正负离子间的净库仑引力于电子间的压力来达到平衡的。

当星体质量在大些,直到自引力不可忽略时,这时自引力加大了内部的密度和压力,压力的加大是物质发生压力电离,从而逐渐是固体的电约束瓦解,而过渡为等离子气体。

加大质量,即加大密度,此时压力于温度无关,从而达到一种冷的平衡位形,等离子体内电子的动能一大足以在物质内部引起β衰变: 这里p是原子核中的质子,这样的反应大致在密度达到108 -3的时候,它将逐渐地是负离子体中的原子核变为富中子核,原子核中出现过多的中子,导致核结构松散,当密度超过4×-3是中子开始从原子核中分力出来,成为自由中子,自引力于中子间压力达到平衡。

如果当质量变大使中子气体间压力已不能抵御物质自引力,而形成黑洞,但由于大多数恒星演化后阶段使得质量小于它的初始质量,例如恒星风,氦闪光,超新星爆发等,它们会是恒星丢失一个很大的百分比质量,因此,恒星的终局并不是可以凭它的初始质量来判断的,它实际上取决于演化的进程。

那么我们可以得出这样的结论。

8→10M⊙以下的恒星最终间抛掉它的一部分或大部分质量而变成一个白矮星。

8→10M⊙以上的恒星最终将通过星核的引力塌缩而变成中子星或黑洞。

恒星的一生。可以回答的来

恒星通常是在星际气体中诞生的。

在宇宙中,当星际气体的密度增加到一定程度时,由于其内部引力的增长大于气体压力的增长,这团气体云就开始收缩。

这样的倾向一开始,其自身引力使巨量物质的密度普遍增大。

巨大质量的星际物质开始变得不稳定。

这些巨量的星际气体与尘埃坍缩进行得越来越迅猛,开始分裂形成较小的云团,密度也增大了许多。

这些较小的云团最终将各自成为一颗恒星。

由于星际物质的质量通常非常巨大,通常在太阳的一万倍以上,所以恒星总是一下子一大批地降生。

如果有一团星际气体超过通常的星际物质(每立方厘米一个氢原子)的密度,达到每立方厘米已达六万个氢原子。

开始时这团气体是透光的,发出的光热辐射不受周围物质的牵制,畅行无阻地传到外面。

物质以自由落体的形式落到中心,在中心区积聚起来。

本来质量均匀分布的一团物质,变成了越往里密度越大的气体球。

随着密度的增大,中心附近的重力加速度越来越大,内部区域物质的运动速度的增长表现得最为突出。

开始几乎所有的氢以分子的形式存在,气体的温度也很低,总不见升高,这是因为它仍然过于稀薄,一切辐射都能往外穿透,溃缩着的气体球受到的加热作用并不显著。

经历几十万年后,中心区的密度逐渐变大,在那里,气体对于辐射来说变得不透明了。

这时核心便开始升温,随着温度的上升,压力开始变大,坍缩逐渐停止。

这个特密中心区的半径通常和木星轨道半径相近,而它所含的质量只及整个坍缩过程中涉及的全部物质的5%。

物质不断落到内部的小核上,它带来的能量在物质撞击到核心上时又成为辐射而放出。

与此同时,核心在不断缩小,并变得越来越热。

温度达到二千度左右时,氢分子开始分解成为原子。

核心开始再度收缩,收缩时释放出的能量将把所有氢分子都分解为原子。

这个新生的核心比今天的太阳稍大一些,不断向中心落下的外围物质最终都要落到这个核心上,一颗质量和太阳一样的恒星就要诞生了。

人们将这样的天体称为“原恒星”,它的辐射消耗主要由下落到它上面的物质的能量来补充。

由于密度和温度在升高,原子渐渐地丢失了它们的外层电子。

落下的气体和尘埃形成了厚厚的外壳,使光无法穿透。

直至越来越多的下落物质和核心联成一体时,外壳才透光,发光的星体突然露出来。

其余的云团物质还在不断向它落下,密度还在不断增大,内部温度也在上升。

直至中心温度达到一千万度发生聚变。

一颗原始的恒星诞生了。

在反抗引力的持久斗争中,恒星的主要武器是核能。

它的核心就是一颗大核弹,在那里不断地爆炸。

正是因为这种核动力能自我调节得几乎精确地与引力平衡,恒星才能在长达数十亿年的时间里保持稳定。

热核反应发生在极高温度的原子核之间,因而涉及物质的基本结构。

在太阳这样的恒星中心,温度达到一千五百万开氏度,压强则为地球大气压的三千亿倍。

在这样的条件下,不仅原子失去了所有电子而只剩下核,而且原子核的运动速度也是如此之高,以至于能够克服电排斥力而结合起来,这就是核聚变。

恒星是在氢分子云的中心产生的,因而主要由氢组成。

氢是最简单的化学元素,它的原子核就是一个带正电荷的质子,还有一个带负电荷的电子绕核旋转。

恒星内部的温度高到使所有电子都与质子分离,而质子就像气体中的分子在所有方向上运动。

由于同种电荷互相排斥,质子就被一种电“盔甲”保护着,从而与其他质子保持距离。

但是,在年轻恒星核心的一千五百万开氏度的高温下,质子运动得如此之快,以至于当它们相互碰撞时就能够冲破“盔甲”而粘合在一起,而不是像橡皮球那样再弹开。

四个质子聚合,就成为一个氦核。

氦是宇宙中第二位最丰富的元素。

氦核的质量小于它赖以形成的四个质子质量之和。

这个质量差只是总质量的千分之七,但是这一点质量损失转化成了巨大的能量。

一公斤氢变成氦时所释放的能量,足以使一只一百瓦的灯泡长明一百万年。

像太阳那样的恒星有一个巨大的核,在那里每秒钟有六亿吨氢变成氦。

巨大的核能量朝向恒星外部猛烈冲击就能阻止引力收缩。

恒星中心释放的能量作为光子辐射出来,然而光子要经过漫长的路程才能到达太阳表面并逃逸到星际空间。

虽然光子的速度将近每秒钟三十万公里,太阳的半径是七十万公里,但从太阳中心发出的光子到达太阳表面的时间却不是二点三秒。

那些光子得花上约一千万年才能走完这段路程。

我们地球上现在收到的阳光,是八分钟前离开太阳表面的,但是它从太阳核心产生时,猿类和早已灭绝的柱牙象还在非洲行走,而非洲与欧亚大陆还未相连。

然而,“恒定”的演化历程终将结束,熊熊烈焰熄灭后,恒星将化为余烬。

当所有的氢都变成了氦时,核心的火就没有足够的燃料来维持,恒星在主序阶段的平静日子就到了尽头,大动荡的时期来到了。

一旦燃料用光,热核反应的速率立即剧减,引力与辐射压之间的平衡被打破了,引力占据了上风。

有着氦核和氢外壳的恒星,在自身的重力下开始收缩,压强、密度和温度都随之升高,于是恒星外层尚未动用过的氢开始燃烧,外壳开始膨胀,而核心在收缩。

在大约一亿度的高温下,恒星核心的氦原子核聚变成为碳原子核。

每三个氦核聚变成一个碳核,碳核再捕获另外的氦核而形成氧核。

这些新反应的速度与缓慢的氢聚变完全不同。

它们像闪电一样快地突然起爆(氦闪耀),而使恒星不得不尽可能地相应调整自己的结构。

经历约一百万年后,核能量的外流渐趋稳定。

此后的几亿年里,恒星处于暂时的平稳,核区的氦在渐渐消耗,氢的燃烧越来越向更外层推进。

但是,调整是要付出代价的,这时的恒星将膨胀得极大,以使自己的结构适应于光度的增大。

它的体积将增大十亿倍。

这个过程中恒星的颜色会改变,因为其外层与高温的核心区相距很远,温度就低了下来。

这种状态的恒星称为红巨星。

红巨星时期的恒星表面温度相对很低,但极为明亮,因为它们的体积非常巨大。

肉眼能看到的最亮的星中有许多就是红巨星,如参宿四、毕宿五、大角、心宿二等。

我们的太阳在五十亿或六十亿年后也将变成一个红色“巨人”。

当核心的氢耗完时,太阳就开始膨胀,那时水星将化为蒸汽,金星的大气将被吹光,地球上的海洋将沸腾。

然后太阳还会继续膨胀,并将地球纳入它的势力范围。

地球被烧焦的残骸会继续在巨型太阳灼热而极稀薄的大气里转圈。

红巨星外层物质的密度比地球实验室里能得到的最好真空还要低得多。

在恒星大膨胀成为红巨星,热核反应速率也不可逆转地衰减之后,恒星吹出气体并收缩到地球那样大小,即几千公里直径。

物质的浓缩使得星体表面温度大为升高,以至真正成为白热。

小尺度和高表面温度这两个特征,使这种星得名为白矮星。

白矮星是中等质量恒星演化的终点,在银河系中随处可见。

它的质量越大,半径就越小。

由于没有热核反应来提供能量,白矮星在发出辐射的同时,也以同样的速率冷却。

但是,白矮星本性节俭,它在形成后要经过数十亿年的冷却时间。

白矮星的变暗过程是如此之慢,自一百五十亿年前宇宙创生和第一批恒星出现以来,恐怕还没有一个黑矮星形成,这里需要极大的耐心。

太阳正处在其主序阶段的中点,还要经过五十亿年才到行星状星云那样的“高龄”,它将再短暂地活跃十万年,然后成为一颗白矮星并在一百亿年中缓慢地死去,最后作为一颗黑矮星而永存。

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