一颗恒星的一生经历了哪些进化阶段?

恒星的一生可分为三个阶段:恒星形成阶段、主序星阶段、红巨星阶段、质量超过太阳9倍的大质量恒星红巨星阶段、最终坍缩阶段。

恒星形成阶段

恒星的形成始于分子云内部的引力不稳定性,通常由超新星(大质量恒星的爆炸)的脉冲波或两个星系的碰撞(如星爆星系)引发。一旦一个区域的密度达到或符合jeans不稳定性的标准,它就会由于自身的引力而开始坍缩[43]。

一旦分子云开始坍缩,单个的致密尘埃和气体就会形成我们所知的布克球,其质量可能是太阳的50倍。当球继续坍缩时,密度继续增加,重力势能转化为热量,温度上升。当原恒星云接近流体静力平衡状态时,原恒星在核心形成[44]。这些主序前兆周围往往有原行星盘,主要能量来源是重力收缩,至少需要1000万年到1500万年。

质量小于太阳两倍的早期恒星称为金牛座T星,较大的则为赫比格尔Ae/Be星。这些新生恒星从转轴两极喷出的喷流,可能会降低恒星的角动量,这是赫比格-哈罗天体中小块云气体坍缩的结果[45][46]。这些喷流,加上来自附近大质量恒星的辐射,有助于驱散正在形成的恒星周围的残余云气体[47]。

在它们发展的早期,金牛座T遵循了森林的轨迹——它们收缩了,光度降低了,但它们的温度和其他的差不多。低质量的金牛座T星沿着这条轨迹进入主序区,较重的恒星将首先转入亨耶尾迹。

主序列开始阶段

恒星一生的90%都处于氢在其核心高温高压下聚合成氦的阶段。像这样的恒星被称为主序带上的矮星。从零年龄主序星开始,核心中氦的比例稳步增加,核心中的核聚变率缓慢增加,恒星表面的温度和亮度也是如此[48]。以太阳为例,估计自进入主序区以来,在这46亿年中,其亮度增加了约40%T[49]。

每颗恒星都会形成由粒子组成的星风,导致气体不断向太空喷射。对于大多数恒星来说,这种质量损失可以忽略不计。太阳每年只损失10质量?14太阳质量[50],或者说它在一生中损失了总质量的0.05438+0%左右。但是,一颗非常大质量的恒星每年可能会损失10?7到10?5太阳质量显著影响其演化[51]。如果进入主序带的恒星质量超过太阳质量的50倍,它在主序带阶段可以损失超过一半的质量[52]。

恒星在主序区停留的时间取决于它的燃料量和燃料消耗的速率,换句话说就是初始光度和质量。对于太阳来说,估计它的寿命是100亿年。大质量恒星燃烧燃料快,寿命短;低质量恒星燃烧燃料非常缓慢。质量小于0.25太阳质量的恒星称为红矮星,它们几乎都是可燃燃料,但质量为1太阳质量的恒星中只有约10%是燃料。结合它们缓慢的燃烧速度和可以使用的燃料量,根据不断演化的计算,一颗太阳质量为0.25的恒星至少可以燃烧1万亿年(1.012),而一颗质量最低的恒星使用氢气作为燃料(0.08太阳质量),将持续燃烧1.2万亿年[53]。但由于这颗恒星的寿命比目前的宇宙年龄(654.38+038亿年)长得多,所以还没有质量小于0.85太阳质量的恒星死亡过[54],预计也不会离开主序区。

除了质量之外,比氦重的元素在恒星演化中也扮演着值得注意的角色。在天文学中,比氦重的元素被视为“金属”,这些元素的化学浓度称为金属量。金属的数量可以影响恒星燃烧燃料的速率和持续时间,控制磁场的形成[55],改变恒星风的强度[56]。年老的第二星群的金属含量会低于年轻的第一星群,这是由于组成该星群的分子云的成分不同。随着时间的推移,因为当老恒星死亡时,它会将大气分散到分子云中,云中的重元素含量会随着时间的推移越来越丰富。

红巨星舞台

质量不小于0.4太阳质量的恒星[2]耗尽核心供给的氢气后,外层气体开始膨胀冷却形成红巨星。大约50亿年后,太阳进入这一阶段,其最大半径约为1天文单位(150 × 106 km),是现在的250倍。当成为超级巨星时,太阳已经失去了当前质量的大约30%[49][57]。

对于一颗质量为2.25太阳质量的红巨星来说,氢燃烧的过程将在围绕核心的壳层中进行[58]。最后核心会被压缩到氦聚变,恒星半径逐渐缩小,表面温度升高。较大的恒星,核心区域将直接从氢聚变成氦聚变[4]。

恒星核心中的氦耗尽后,围绕着热碳和氧核心的壳层中继续发生核聚变。然后它继续沿着平行于原始红巨星阶段的路径演化,但表面温度更高。

超新星阶段

红色超巨星阶段

在氦燃烧阶段,质量是太阳9倍以上的大质量恒星会膨胀成红色超巨星。一旦核心燃料耗尽,它们将继续燃烧比氦重的元素。

核心继续收缩,直到温度和压力允许碳熔化(参考碳燃烧过程)。这个过程将继续,并继续到下一步燃烧氖(参考氖燃烧过程)、氧(参考氧燃烧过程)、硅(参考硅燃烧过程)。在恒星生命的末期,核聚变可能会沿着恒星内部像洋葱壳一样的几层壳发生。每层燃烧不同的元素燃料,燃烧的最外层是氢聚变,第二层是氦聚变,依次向内[59]。当大质量恒星制造铁时,它到达了最后阶段,因为铁核的结合能大于任何更重的元素。任何超越铁的聚变,和前面的相反,不仅会释放能量,还会消耗能量。同样,它比轻元素更紧凑,铁芯的分割也不会释放能量[58]。在更老更重的恒星中,惰性铁会在恒星的核心聚集。这些恒星中的重元素可能以自己的运行方式到达恒星表面,发展成已知的沃夫-瑞叶星,从大气中吹出稠密的恒星风。

崩溃阶段

当恒星的核心收缩时,来自这个表面的辐射强度会增加,产生的辐射压力会将上层气体壳层向外推,形成行星状星云。如果外层大气已经被推出,剩余质量小于1.4个太阳质量,就会收缩成一个相对较小的大约地球大小的物体,称为白矮星。白矮星缺乏进一步引力压缩所需的质量[60]。虽然普通恒星是等离子体,但白矮星中的电子简并物质已经不是等离子体了。经过非常长的时间,白矮星最终会变暗成为黑矮星。

对于更大的恒星,核聚变会一直持续到铁芯足够大(大于1.4倍太阳质量)能够支撑自身质量。反β衰变或电子俘获爆炸后,电子会进入质子形成中子、中微子和伽马射线,导致堆芯突然坍缩。这种突然坍缩产生的冲击波导致恒星的其余部分爆炸成超新星。一颗超新星非常明亮,它的亮度可以在短时间内等于其所在星系中所有恒星的亮度。当它们出现在银河系中时,是历史上肉眼看到并记录下来的,而在[61]之前并不存在的“新星”。

超新星爆发会把这颗恒星的大部分物质打散(形成类似蟹状星云[61]的云状气体)。剩下的是中子星(其中一些被证明是爆发或X射线爆发),或者黑洞会在质量最大的恒星中形成(剩余质量必须是太阳质量的4倍以上)[62]。中子星中的物质是中子简并物质,一种简并物质,QCD物质,它可能有一个核心,但极不稳定。黑洞核心的物质状态仍然未知。

垂死恒星抛出的外层物质包括一些重元素,在恒星形成的世代交替中可能成为新恒星的原料。这些重元素可以形成岩石行星。超新星和大恒星的星风抛出的物质在星际物质的构成中起着重要的作用[61]。

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