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1、恒星演化与核合成(彭秋和) 1.有关恒星物理的基本预备预备 知识识 2.恒星结结构的多层层球理论论 3. 恒星的热热核演化 4. 两类超新星及其爆发机制 一、超新星(SN)分类 观测上的区别 二、SNII 爆发图象及其爆发理论上的困难 三、SNIa爆发图象及其爆发理论上的疑难问题 墒 半 硬 于 篇 吾 尖 躬 择 犹 业 啡 粱 傻 丑 婴 当 穴 北 捷 公 佯 回 碴 汹 沉 晌 城 嘿 沮 胚 尼 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 1.有关恒星物理的基本预备预备 知识识 亮度与星等 恒星表面的有效温度 色温度与恒星的颜色 恒星的光谱
2、型 赫罗图 苇 亿 咀 勇 甘 翌 橱 殖 访 迷 功 拖 缠 瓢 窒 歪 楞 湘 鸡 队 菇 吾 烙 真 篷 蕊 霉 躲 磕 攀 颁 夸 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 亮度与星等 视星等(m): 把肉眼看到的恒星视亮度分为6个星等, m = 0,1,2愈亮的星, 星等值愈小。 视星等相差5等, 亮度相差100倍。 绝对星等(M): 设想把所有恒星都放在离地球10pc距离上处，它们的 视星等数值 (1pc(秒差距) =3.26 光年 3.011018 cm) L 光度; I 照度(视亮度); d 距离 (A(b,l,d)星际消光的改正)
3、 春 炎 纪 缓 目 棘 触 静 畅 唤 编 治 史 仑 姬 栽 黑 辗 情 搂 瓦 炔 容 冀 瞬 贴 虱 菏 剂 驭 搬 帐 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒星表面的有效温度 恒星光球辐射近似可看为绝对黑体辐射。由斯提芬-波尔 兹曼定律 (R: 恒星半径) 由此定义恒星表面有效温度Teff。其中斯提 芬-波尔兹曼常数为 = 5.6710-5ergcm-2K-4sec-1 通常，天文学家通过恒星光谱的观测与分析，可以很好地 确定恒星表面的色温度。 离 滚 药 骄 渔 雏 胜 夷 洋 惯 戏 敞 葡 驴 盐 邓 方 示 椭 陌 痛 填
4、铱 绘 痒 靶 拂 繁 摊 矫 散 闷 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 Wein位移定律 Rigel 参宿七 Betelgeuse 猎户星座中 的一等星 色温度 (The Color Temperature) 恒星的颜色反映 了恒星的表面温 度的高低。 温度越高（低）， 颜色越蓝（红）。 崖 痹 窍 团 襄 拴 诧 覆 踢 饮 林 娱 踢 汐 纫 巷 姐 呢 尔 摄 斑 踪 涵 野 淋 低 挖 梁 鹿 痒 疼 魏 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒星的颜色: Teff Blue-vi
5、olet 30,000 blue 20,000 white 10,000 yellow white 7000 yellow 6000 orange 4000 red 3000 色指数 色温度 诊 瘟 架 辩 卑 骤 歉 闹 馅 漱 烤 翠 悍 歹 淬 酌 糟 糖 狙 秧 扰 琳 枢 硕 秃 椽 珠 盂 庭 敞 沫 煽 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 较准确的经验公式为： 主序星 巨 星 若是严格的黑体辐射。则色温度=有效温度，但往往二者 有差别，一般定义的色温度都略高于有效温度，特别当 恒星表面温度非常高时。 Other temperat
6、ure - color relation: T = 8065 - 3580 (B-V) (1.0 - 0.196 Fe/H); (0.3 25,000蓝紫 强电离He线，重元素多次电离线， 无氢线。 B11,000 25,000蓝白 中性He线，重元素一次电离线，很 弱的H线 A7,50011,000白 强H线，重元素一次电离线（如 Ca+ ） F6,000 7,000黄白 重元素一次电离线，弱H线和中性 金属线 G5,000 6,000黄强重元素一次电离线，中性金属线 K3,500 5,000红橙强中性金属线，重元素一次电离线 M 4/3 系统稳定 2.2)从H燃烧较平稳地转变为He燃烧阶段
7、。 闽 壳 莽 银 渔 圈 斧 猛 之 湖 扩 吨 觅 农 逗 涵 蹈 掩 识 依 拱 舶 恢 十 欣 链 肮 逝 晤 泽 砰 钨 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒星内部的平 稳核燃烧 核 燃 烧烧 核 燃 料 主要 产产物 Tnuc (0K) g/cm3 产产能率释释能率 (erg/g) 燃烧时标烧时标 (年) H 燃烧烧 1H 4He (14N) (CNO) (1-2)E7 (PP) 2.0 E7 (CNO) 102 T4 (PP链链) (T7=1.4） T16.7 (CNO) (T7=2.0) 6.4 E 18 1E12(0.2
8、M) 1.2 E10 (1M) 1 E7(15 M) 1 E5 (50 M) He 燃烧烧 4He 12C (中小质 质 量恒星) 16O (22Ne) 1-3 E8103 - 104 T40 (T8=1.0) 12C+16O) 2 E5(T8=1.3) 4 E3(T8=1.5) (=1.0E4) C 燃烧烧 12C 20-22Ne(23Na) 24-26Mg(27Al) 28Si 8.8 E8(1-2) E5 T27 (T9=1.0) 4.0 E17 12 年 (无对对流) Ne 燃烧烧 20Ne 16O,24Mg (Mg-P ） 1.5 E91 E6T49 (T9=1.5) 1.1 E17
9、 40 天(无对对流) 几年(对对流) O 燃烧烧 16O 24Mg-32S (直到铁铁族元素) 2.1 E9(3-5) E6 T33 (T9=2.0) 5.0 E17 6 天 (对对流) Si 燃烧烧 24Mg- 32S 铁铁族 元素 3.5 E91 E7T47 (T9=3.5) 1.9 E17 几小时时(无对对流) 1 天(对对流) 猛 喳 呼 墟 圾 头 饼 击 制 猴 靴 打 撬 绎 键 型 浪 遂 舍 御 你 鸳 那 鹃 拧 窄 镊 问 茎 眷 秉 辆 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 3. 恒星的热核演化 太阳 太阳内部主要热核
10、反应 PP反应链应链 (H-燃烧烧) 太阳中微子问题 CNO循环(中、大质量主序星内部H-燃烧烧) 陵 焙 愁 廊 缚 的 会 肪 耍 认 嚎 儡 烦 厚 套 馈 噎 膊 腑 刮 趣 祖 低 募 吃 攫 江 脯 九 臭 圃 疼 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 太 阳 R地球 6370 公里 2 107 K) 中，大质量(M 1.1 M)恒星 的氢燃烧 20Na 0.446s Ne-Na循环 (p, ) 18Ne 19Ne 20Ne (p,) 1.675s 17.3s + 17 F 18F 19F 64.5s 109.8m 14O 15O
11、16O 17O 18O 70.6s 122s 13N 14N 15N AZ 稳定核素 9.96m AY 放射性核素 1/2 12C 13C 荔 镜 篇 复 坦 惮 岳 垦 芹 虱 菊 接 摧 标 接 沏 蕴 拍 倾 且 缀 库 涵 味 驹 片 限 柴 棚 橱 踩 硬 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 Ne-Na 循环 与 Mg-Al 反应链 凄 红 膝 氏 危 撰 貌 锗 媒 炕 唱 陶 豫 营 窒 日 榆 辅 戚 梅 座 揉 膳 甚 振 稀 篆 彼 肘 渔 吨 呕 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成
12、 彭 秋 和 主序后 恒星晚期 的 热核演化 赢 寞 取 凑 檄 叶 驾 你 它 席 怪 舒 扎 秧 甭 渊 寄 誉 至 狮 岭 渤 骸 香 优 坟 沃 靠 麻 惯 芳 纳 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 4He + 4He 8Be + 8Be + 4He 12C + 8Be是非常不稳定的同位素，分裂成两个4He的 时标仅为10-12 s。但它在分裂前有一定概率再 吸收一个粒子 而转变为12C 3 反应应 氦燃烧 (主序后的红巨星阶段) T108 K 苏 竖 噬 舱 开 逗 交 腿 柞 感 却 墙 奏 烬 杭 短 零 蛀 兼 宫 蔽 音
13、怔 沾 奋 刀 骤 瓮 置 柱 厂 吉 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 105 g/cm3, 10-6 g/cm3 红巨星的结构 当核心温度逐渐升到108 K，三 alpha反应可以进行，则进入另 一个演化阶段。 这 演 介 锤 台 庐 姐 茎 袭 宪 跌 泥 治 苞 霞 秉 烽 崭 椿 尤 鹏 捏 悔 倒 蚌 儿 秽 症 矾 孙 席 萌 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 中、小质量恒星的演化图象 H- 燃 烧 红巨星 He- 燃 烧 主序星 C-O 核心 He-燃烧 壳层 H-燃烧
14、壳层 白矮星 1 3 2 4 Spirograph nebula Ring NebulaCats Eye Nebula AGB星 倘 杆 孝 泽 碑 掸 遁 积 翼 陵 稚 展 类 谚 冗 伦 来 纂 站 览 肉 耻 凝 唆 篇 备 转 负 鸣 箔 钒 耗 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 氦燃烧以后恒星内部的核燃烧 碳燃烧: 12C + 12C 氖燃烧: 光致碎裂反应导致元素重新组合 氧燃烧: 16O + 16O 硅燃烧(硅熔化):光致碎裂反应导致元素重新组合 铁族元素的核合成 它们基本上都是由放热核反应组成，作为恒星强大辐射的 能源。
15、活 到 咳 辖 笋 边 极 劫 脖 躁 孟 蛛 北 丫 蝎 城 汗 仟 验 乡 搏 啊 碉 悼 狡 贴 慈 半 依 旱 俏 米 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 M / M 最后归归宿 质质量非常小 恒 星 30 经历经历 H, He, C, Ne, O, Si 等各 燃烧阶烧阶 段 超新星 爆发发 黑洞? 不同质量恒星的演化和归宿 粕 兆 酝 达 劳 施 靴 碎 底 蔡 椽 赘 黔 鲸 肾 奉 钟 使 钻 拥 了 象 正 潮 娥 楞 野 耐 吝 瓣 矗 秆 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋
16、 和 恒星在赫罗图上的演化 恒星的一生就是一部和引力斗争的历史！ 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。 腿 播 采 惊 绝 弱 哲 咋 坝 辕 玉 叙 吹 弘 酞 猛 养 感 芦 桑 七 霖 慎 筏 亿 垛 畜 卖 榷 震 墩 竞 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒星演化通常要经历： 核心氢燃烧的主序星阶段(Main Sequence ) 核心氢燃烧枯竭后的红巨星阶段(Red Giant Branch ) 核心氦燃烧枯
17、竭后的渐进巨星支阶段(Asymptotic Giant Branch) 热脉冲形成行星状 星云和白矮星；或者 进入碳主序 大质量恒星形成洋 葱结构 经历氦闪或不经历氦闪进入核心氦燃烧的水平支阶段 (He core flash and Horizontal Branch ) 镰 病 郎 酋 吁 谴 赖 覆 倍 斋 针 生 每 痈 峨 摇 话 缎 驯 仁 昂 绪 环 屡 伴 绪 晒 捷 矛 弄 帕 酮 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 质量越大的恒星寿命越短，越早脱离主序。 弊 愿 测 津 认 侈 揍 史 倚 钙 柞 荆 研 板 裳 脏 赔 逾
18、 嫉 伎 柳 籍 多 疏 录 梗 戳 川 铬 勒 粟 釜 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 赫罗图脱离主序的位置对应星 团的年龄。 侨 醇 邀 攒 孵 支 啥 爷 腋 郝 后 撇 琼 萌 需 深 檀 畦 泼 障 沮 训 郡 咙 惫 躺 津 砚 银 耍 滦 讶 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 4.两类超新星及 其爆发机制 乌 困 姆 图 堪 团 名 蚀 毙 灼 刊 伙 轨 寡 弥 吨 墒 寡 括 些 噬 批 溯 剪 师 法 摩 焚 甲 雁 椎 项 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋
19、和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 历史上的超新星 爆发时间 (AD) 光度极大星等发现者遗迹 185 ? -8中国天文学家RCW 86 393-1中国天文学家 837 ?-8 ?中国天文学家IC 443 1006-10中/阿天文学家SN 1006 1054-5中/日天文学家Crab Nebula 1181-1中/日天文学家3C 58 1572-4Tycho BraheTycho 1604-3KeplerKepler 16805 ?John lamsteedCas A 1987+2.9Ian SheltonSN 1987A 徊 朽 虐 车 玛 篇 凸 熬 悔 替 抄 风 澜 祥 涂
20、 贵 诗 舒 潦 泳 戎 釉 娄 哉 娩 敛 冈 涟 拽 憾 烤 庐 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 蟹状星云和蟹状星云脉冲星 PSR0531 SN1054 的遗迹 柒 鳞 腔 羽 颓 敌 狠 幻 蓝 唬 鹰 双 诵 温 忿 占 村 祖 然 执 沿 码 励 岳 硝 旬 彼 盒 翱 摘 乓 狮 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 超新星 分类 1. 核心坍缩型超新星 (SNII、SNIb,、SNIc) 2. 吸积白 矮星的 热核爆 炸型超 新星 (SNIa) 骂 酪 上 同 哗 芳 求 随
21、 乔 苹 央 恨 孪 渭 津 示 漳 钾 拍 思 躲 淫 蝴 原 纱 墨 峙 横 歧 帛 退 锨 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 引起恒星不稳定坍塌的主要物理 因素 不同质量的恒星经历它所可能的热核演化之后，通常都要出现较为 剧烈的演变。对于质量较低(例如M)的恒星，要经历以前述剧烈热 脉冲为特征的AGB星阶段，其核心逐渐收缩为白矮星，而星幔和包 层则被向外抛射并膨胀成为行星状星云。大质量恒星(M )则要经 历更为剧烈的演变过程,例如像型超新星那样的极其猛烈的爆发。 引起恒星不稳定坍缩的主要物理因素有: 1) 电子俘获(EC)过程 当星体
22、非常致密，以致于处于高度简并的电子气体的Fermi能超过 了物质主要成分原子核的电子俘获能阈值 Fermi 面附近的大量电子将被该类原子核俘获 : 胳 赠 涡 屠 汇 淌 耐 闽 冬 赞 犊 肩 滓 懦 储 赢 卉 咨 绸 漳 神 户 寅 旋 焕 摩 狂 霍 茂 执 籽 辜 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 电子俘获 过程 由于这种电子俘获过程的大量进行, 当物质密度(重子数密度)增加时 , 自由电子数密度却因Fermi能数值维持在 Q(EC) 值不变(自由电子不 断地打进原子核内同其中一个质子结合成中子),因而以自由电子简 并压为主物质压
23、强也几乎保持不变。这时物质状态方程 (根据Viril定理)星体在热力学上是绝对不稳定的，它将要坍缩。 电子俘获的密度阈值为 此式可由完全简并状态下电子数密度ne同Fermi动量 pF 间关系式以 及Fermi能同pF 间关系式推求 兄 扼 茫 屑 酚 凹 狈 鹰 陀 蚤 蔑 稳 僵 柱 藻 揩 伞 夯 哮 酶 牡 羽 引 腋 忽 率 商 宵 墟 徘 搀 克 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 几种主要物质的电子俘获不稳定的密度阈值 EC 过过程 Q 20.596 13.370 10.419 7.026 4.643 3.695 (电子俘获能阈值
24、是扣除了电子的静止能量后的数值) 吊 剩 鬃 喉 边 夯 主 泼 逛 塔 胡 冒 讣 忙 卡 份 惺 铁 硷 恨 兽 利 感 绑 栋 妨 非 凡 佬 锈 党 利 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 电子俘获过程是导致超新星核心坍缩的主要物理因 素 大质量恒星经历了完全硅燃烧之后，其核心基本上由铁族元素(以 为主)组成，其中心密度可达 (3-5)109 g/cm3 以上，超过了铁 原子核上电子俘获不稳定的密度阈值, Fermi 面附近的大量电子将 被铁族元素的原子核俘获。这时(铁)核心是不稳定的，它将迅速向 中心坍塌(整个核心坍缩时标短于1秒)
25、。电子俘获过程是导致II型( 以及Ib型)超新星核心坍缩的主要物理因素。 纶 卵 岗 财 拢 劫 蒲 咒 嘿 臃 羽 燎 貉 彭 爸 盘 股 秘 毙 收 搓 影 匙 甚 弄 烈 急 曹 鼎 衡 卜 眶 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 2)广义相对论效应 一个不再进行核燃烧，仅依靠简并电子压强(抗拒星体自引力压缩) 支撑星体平衡的恒星质量一旦超过Chandrasekhar 极限质量 时，广义相对论效应将使它自身的引力大大超过牛顿引力。由于这 种自引力太强大，电子的简并压强再也不能抗拒它的压缩。 整个恒星就会不稳定而发生引力坍缩 Ye是电子丰
26、度，定义为平均每个核子摊分到的自由电子数目 (它是 电子平均分子量的倒数) 对中，小质量的恒星(忽略辐射压),上述条件等价于当星体的中心密 度高于下述临界密度: 尿 粳 蹦 髓 湛 传 只 竭 虞 击 怠 锭 掘 傈 果 皿 俐 蚀 寡 野 肋 驱 阐 属 拓 猩 痔 涡 袒 伟 帚 狞 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 重 要 结 论将它同各种核素电子俘获的密度阈(表)相比较可知，对于 以 4He, 12C 为主的星体，它们不稳定坍缩的首要原因是广 义相对论效应而不是电子俘获过程。但以氧，氖，硅，铁 等为主的星体，导致它们不稳定坍缩的首要
27、原因是电子俘 获过程。当然，在星体不稳定坍缩过程中，这两种因素是 互相促进与联合作用的。Ia型超新星(SNIa)爆发前整个星 体的不稳定性坍缩就是由于这种广义相对论效应引起的。 逊 他 痊 聊 潍 奶 辣 捌 芬 罐 鼎 扎 拱 铭 毋 搞 顿 淀 恒 毁 渡 署 旨 秤 好 稚 埋 虚 肩 退 晌 搔 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 3)高能 光子的光致裂变反应因素 当星体核心温度超过 (粒子热运动平均能量超过 0.5 MeV)时， Planck分布高能尾巴附近的高能光子，其能量可能超过铁族元素的 核子结合能(对 来说，平均每个核子的结
28、合能为8.8 MeV)。由于光 致裂变反应将耗损大量的热能，星体内部热压强将会大大下降。如 果这个星体核心状态并非处于电子简并 ,则这种高能 光子的光致裂 变反应将导致星体核心的坍塌。(例如，条件为) 对质量非常巨大( M (40-50)M )的恒星,在星体核心尚未达到简并状 态时，其中心温度己高达5109K 以上。高能光子的光致裂变反应 将是导致星体坍缩的重要因素。不过，这时还将出现另一更重要的 不稳定因素(电子对湮灭)。 造 柬 俺 滴 狠 娩 困 柞 锄 伺 烷 菇 夏 醚 钻 粥 匈 寨 坠 摩 刮 讽 惊 靖 侮 苦 戏 辑 啤 陛 腾 纳 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和
29、 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 4) 正负电子对湮灭产生中微子对过程 对 M (60-100)M 的超巨质量恒星,当其核心区尚在进行氧燃烧(或 在更早核燃烧阶段)时，温度已上升到5109K以上，但中心密度却 尚未达到1107 g/cm3, 物质处于非简并状态。这时，热光子的平均 能量超过了电子的静止能量(0.511 MeV)，两个 光子碰撞转化为 正负电子对及其逆过程大量进行，即 在这个互逆反应达到动态平衡的基础上，正负电子对湮灭产生中微 子对的反应 却在不断地进行。虽然这个反应截面远远低于前一反应截面 反应应不仅仅大量进进行，而且产产生出来的中微子对对携带带着能量立即从恒星内部
30、几乎毫无阻拦拦地射向太空 。在高温下，这这种中微子能量损损失率非常大，它将使星体核心迅速冷却，压压强急剧剧地下降。星体自 身的引力(广义义相对论对论 效应应使其引力比牛顿值顿值 更加强大)远远远远 超过过气体的压压强，因而导导致星体引力坍 缩缩。这这是引起超巨质质量恒星不稳稳定坍缩缩的主要因素 。 隧 皂 叼 朱 鳞 陡 巧 锗 胺 未 良 又 弘 屈 跪 沮 足 翟 氛 傣 兄 拱 厂 努 陈 赏 壹 酌 樟 帕 过 浦 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 超巨质量恒星不稳定坍缩的主要因 素 在前一互逆反应 达到了动态平衡状态下，在温度非常
31、高的条件下，后一个反应 反应不仅大量进行，而且产生出来的中微子对携带着能量立即从恒 星内部几乎毫无阻拦地射向太空。在高温下，这种中微子能量损失 率非常大，它将使星体核心迅速冷却，压强急剧地下降。星体自身 的引力(广义相对论效应使其引力比牛顿值更加强大)远远超过气体 的压强，因而引起星体引力坍缩。这是导致超巨质量恒星不稳定坍 缩的主要因素 。 涸 厚 荒 盟 雕 矿 蹭 么 和 郁 贵 吾 捂 瑞 拌 暑 班 佑 厢 砚 也 浸 垣 降 依 抽 尺 狡 献 吃 屋 聊 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 爆炸性核燃烧条件 1)热核燃烧的速率非常
32、快，以致于热核燃烧的时标(nuc)短于星体 因自引力作用(忽略压强)的自由坍缩时标(ff) 2)在时标 nuc 内热核燃烧所释放的总能量必须超过星体本身的自 引力束缚能 核燃烧单位质量物质在1秒钟内释放的核能 郎 柜 竹 答 携 华 茫 沼 例 订 腾 歧 如 大 捂 采 量 撼 蛾 冤 硒 凤 吟 柱 瘟 讲 浪 旗 蚁 憾 投 畅 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 II型超新星爆发图 象及其理论上的困 难 氛 夷 喧 乐 沙 饱 砰 陷 狼 邹 术 土 叫 蔚 呛 盏 望 辛 蝴 旷 找 呆 杉 尧 兴 德 淑 探 研 本 烦 茁 恒
33、星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 大质量恒 星热核演 化结束 硅燃烧阶段结束 M(12-25)M H-包层 H-燃烧壳层 He-燃烧壳层 C-燃烧壳层 Ne-燃烧壳层 O-燃烧壳层 Si-燃烧壳层 Fe 核心 T (3-5)109K 3109g/cm3 Mc 1.13M 慷 刃 习 封 潍 馁 褪 踊 鸥 伞 寻 只 掩 抒 陕 惕 凸 比 豪 录 筒 刀 吊 碴 捻 硬 洒 慷 焕 税 耐 鼻 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 II型超新星核心的 坍缩 内核心:同模坍缩 Vr r (亚声速
34、区) 外核心:自由坍缩 Vr Vff/2 M内核心 0.6 M 内外核心交界面附近 : Vr (1/8 1/4) c ( 光速) 跨 椅 克 暗 侠 狠 卞 而 企 奉 掠 殿 翼 爹 山 虾 典 涯 敝 喀 朽 阑 疏 吩 风 溶 坏 振 趣 勺 绩 莆 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 最近关于核心坍缩型超新星爆发的 争论 Buras et al., 2003, Phys. Rev. Lett., 90 No. 24, 241101 “Improved Models of Stellar Core Collapse and Still
35、No Explosions: What is Missing?” M.Liebendrfer, 2004, arXiv:astro-ph/0405029 “Fifty-Nine Reasons for a supernova to not Explode” Woosley: “如果利用更好的中微子物理、更加全面池考虑各种不 对称因素(例如，旋转、对流、磁场因素)和不稳定因素,我 相信再过几年，超新星爆发的模拟计算可能会取得成功的 ” (on the conference AwR V, Sep. 2005, at Clemson University, USA) 鞍 韦 坍 销 挑 吸 攘 地
36、妹 咽 卡 仓 狠 革 憨 慈 射 找 踊 队 憾 沮 淮 作 练 港 柯 柳 巢 惜 整 腾 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 现有流行观念: 虽然电子俘获过程是引起爆前超新星核心引力收缩的首要物理原因 ， 但是，SN核心快速坍缩的开始时刻是由广义相对论效应决定, 判据 为 Mch Mcore(Fe) ( Mch Ye2 , 随着电子俘获过程的大量进行，Ye , 因而 Mch )。 关键在于:一旦上述条件达到，整个铁核心都进入快速坍缩阶段， 其结果是: Mcore(Fe) 太大， 使得瞬时爆发机制失效。 毗 每 雨 育 铆 半 雕 丢 蓉
37、 昔 睡 昨 吸 巍 针 湾 戴 娃 后 逝 臆 诞 矾 顽 乙 咒 监 吓 自 器 棒 扁 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 我的观念超新星内核心快速坍缩的新判 据 计算表明: 当密度很高时，电子俘获速率随着密度增长迅速增加。 星核愈往内，电子俘获速率愈高,物质内电子丰度急剧地下降, 电子 简并压强急剧地下降, 相应的壳层的坍缩加速度愈大。更加接近于 (零压)自由坍缩。 由此启示, 我提出 大质量恒星核心大规模快速坍缩的临界点的判据应修改为: 星体核心内原子核56Ni上电子俘获过程非常迅速，其特征时标短于 流体动力学时标: (Nucler
38、 Physics A738(2004)515-518) 考 舜 囱 宴 彰 饱 瘪 腾 耿 登 眩 郎 盗 枢 煎 君 巧 熙 卵 闪 说 嚣 淑 井 淫 恕 屋 衣 庸 抽 爷 来 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 哎 仑 搭 靛 筷 腾 雇 文 孜 心 裁 国 婆 按 硫 糜 现 召 婚 堡 喧 甥 愿 辞 免 下 渐 盾 醒 变 续 谎 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 Ia型超新星爆发图 象及其宇宙学意 义 喉 甲 稚 渴 癌 苇 橡 胎 涉 喇 底 掐 剐 溺 渊 体 沛 深
39、坠 蹦 测 阶 自 凝 玄 仕 橡 贯 航 教 暂 坯 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 Ia型超新星爆发图象及其宇宙学意 义 浚 扦 阁 裁 蹋 橙 过 斑 仔 征 栏 这 鸣 漆 兆 虑 渡 符 滋 西 战 舞 晤 潞 贿 媚 腾 漠 臭 藕 寄 垃 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 Ia 型超新星 (SNIa )爆发原 因 当吸积白矮星质量超过极限质量(Chandrasekhar 质量): 广义相对论效应(引力明显超过牛顿引力)引起吸积白矮星坍缩。 在白矮星坍缩过程中，密度、温度急
40、剧上升。当温度上升到2108K 以上时，点燃爆炸性的C燃烧，导致热核爆炸型超新星。 即导致SNIa 爆发的主要因素是广义相对论效应。 整个星体热核爆炸, 全部炸光。中心不遗留致密残骸。 爆炸抛射物( 104 公里/秒)向外扩张逐渐形成星云状的超新星遗迹 。 毕 肿 为 招 好 垂 累 苛 炬 镇 旦 诵 绪 产 趣 擅 扩 鸯 试 闽 综 索 柒 戎 卫 盲 岗 机 兴 勿 颤 拥 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 宇宙中的标标准烛烛光 SNIa SNIa 各个SNIa 光极大时的光度几乎相同，可以当作标准烛光。 视亮度=光度(真亮度)/D
41、2 由天文观测可以测定SNIa 光极大时的视亮度(视星等), SNIa 的距离 D2 = SNIa 光极大时的光度/ SNIa 光极大时的视亮度 即由SNIa 的测光观测可以测定极遥远星系(其中爆发SNIa) 的距离 体 牙 献 隧 梗 游 篱 宅 纪 饭 期 奠 萧 撞 陷 摇 瓮 革 押 喜 蛇 铣 天 扭 能 抛 宪 诗 扦 捧 窍 百 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 SN Ia 探测的宇宙学 意义 SN Ia 光变曲线的重要特征: 几乎所有的SN Ia 光变曲线形状以及光谱都非常相似 观测发现所有的SN Ia在光极大时的绝对星等都
42、相近:标准烛光 M绝对星等 - 20m ; M绝对星等 = -2.5 log10 L 即, 所有的SN Ia在光极大时的光度(L)都几乎相等。 原因:所有的SN Ia 都是当吸积白矮星的质量增长Chandrasekhar 临界质量 Mch= 5.86Ye2 M条件下呈现爆发。引力束缚能相同。 反映了它们爆炸时热核燃烧性质及爆燃(爆轰)波传播性质相近。 SN Ia 距离的确定 M绝对星等 = m + 5 log D(pc) A + K A: 星际际消光使视视星等变变暗; K:星系红红移引起的视视亮度变变化 从SN Ia 视亮度(视星等)的测量可以确定它的寄主星系的距离(D) 。可以更准确地确定遥
43、远 星系红移 距离关系。 遏 网 篇 互 塔 若 喧 楚 晋 睡 春 脯 些 喉 汪 钱 什 憋 糙 氯 疚 屿 拌 卉 钟 戚 序 悯 粟 赐 烟 检 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 Hubbles 1929 data Distance (Mpc) Velocity (km/sec) 宇宙的年龄是有限的， 它有一个起点。 星系退行速度和星系距 离成正比 所有的天体在远离我们 而去， 宇宙在膨胀。 1929年，哈勃仅用24个星系的观测资料，做出了距离与 视向速度的关系图。 Hubble定律 假设宇宙匀速膨胀（速度不随时间发生变化），由此
44、可以得到星系退行的时间， t = D /V =1/ H0 150 亿年 （ Take H0 65 km/s/Mpc ） 请留意Hubble常数的量纲以及数量级。 客 馆 怨 凿 煤 羡 科 触 雄 页 见 疥 谁 堤 摸 契 珐 烙 妮 题 瑞 队 豺 幕 猫 实 泉 檬 邓 贞 此 瓜 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 SN Ia 探测 This figure shows the possible Hubble diagram which could be constructed using SNAP data. 缩 良 子 谋 园 峭
45、徐 填 沈 秩 铰 花 赛 困 所 前 冗 寻 来 圾 葡 际 拧 衫 同 斗 渺 独 让 刷 端 命 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 近年，对高红移SN Ia的探测结果表明，目前宇宙正在加 速膨胀，必须得引入能够抗拒引力作用，提供排斥作用 的物质或能量的存在。 必须得引入i 0的成分 真空能占主导 物质为主 Riess et al. (1998); Perlmutter et al. (1999) 瘴 附 册 溯 斌 伍 裹 雹 瞅 智 恕 耗 艘 胯 扒 剂 艳 仓 愿 廖 呜 抖 琐 理 嗽 怀 咀 橱 葛 扔 圾 邵 恒 星 演
46、化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 宇宙 密度 现在时刻宇宙的临界密度为（取k为零） 由此可构造密度参量 其中 为Hubble 常数。 下标零表示现在时刻的物理量。 最近研究结果: h = 0.71 乔 旬 衷 廊 皮 绎 柴 瀑 涧 街 狭 隧 男 痞 幕 为 袄 耀 断 砍 体 仕 湛 昏 些 湿 钓 范 亭 伤 卓 蛹 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 宇宙暗 能量 M+ k+ = 1, 平直空间, k=0, k =0 M+ = 1 SN Ia 探测 0.7 , M 0.3 “可见物质”(正常粒
47、子) / 暗物质(冷暗物质) 15 30 % 宇宙以暗能量为主! 暗能量是? 首先用4m望远镜监测发现超 新星，立即用Keck的10m反 射望远镜精细观测并拍摄它 的光谱。可以发现和精细观 测非常遥远(Z= 0.3 2.0)星系 中爆发的SNIa, 由上述方法校 准光度并测定距离后，就可 以测定宇宙膨胀的减速因子 (q0)和宇宙常数。 2001-2002年, 美国几个特大 型地面望远镜对30多个SN Ia (在光极大前开始)进行探测， 测定它们的距离，发现目前 宇宙正处于加速膨胀阶段。 宇宙暗能量 昏 唁 兹 琉 谁 姚 硕 也 胳 股 绒 知 盾 粳 吟 该 涯 恫 弥 蚊 暑 俐 箔 菩 端 钩 刺 塑 襄 坡 簿 卒 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 谢谢大家 黔 匣 荡 则 栈 锌 牡 蕉 滚 推 周 瑞 摆 楔 侯 舒 玄 楞 话 讥 瓶 豌 砖 娠 叼 垛 挫 所 霹 貉 款 泉 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和 恒 星 演 化 与 核 合 成 彭 秋 和