铁核开始坍缩
▪ 大质量恒星中心的Fe核开始坍缩
▪ Fe核的密度、温度和引力飞速上升 中心Fe 核电子简并为地球大小
▪ 当电子简并压也不能支持引力 Fe核继续坍 缩到 T >= 1010 K，密度 > 10吨/cm3
• 10 倍电子简并支持的白矮星的密度
铁核加速坍缩
▪ 热伽马射线光子 光致离解 Fe 原子核 消 耗中心核的巨额热能 加速Fe核坍缩
▪ He核不再简并，C和更重的元素可以平稳燃烧。 核心区核反应所产能量主要以对流方式向外传 输
主序阶段H燃烧：CNO循环
▪ 净反应: 12C + 41H + 2e- 12C + 4He + 2v + 7γ ▪ 大质量恒星主序阶段，在H聚变为He的反应中，
• C仅作为一种催化剂 • N和O只是中间反应产物
▪ 当氖枯竭 氧燃烧 + Ne、C、He、H壳层燃 烧+…
▪ 当氧枯竭 …
演化的大质量恒 星内部结构类似 洋葱
脉动变星 Pulsating variable stars
▪ 主序恒星是稳定的
▪ 但主序后恒星并非如此，周期性交替变大变小 ，视为脉动变星
▪ 造父变星（Cepheid variables）：最高质量最 亮的脉动变星
• 原型：Delta Cepheid • 周光关系：测量邻近星系的距离
▪ 天琴座RR星变星 （RR Lyrae variables）：不 稳定的HB星（小质量恒星）
大质量恒星有高速星风
▪ Eta Carinae （船底座7）
▪ M = 100Msun ▪ L = 3x106Lsun ▪ HST：抛射的尘埃云在膨
▪ He核质量连续增长，但不形成简并He核 在 H-R图上，没有加速攀升的 RGB 和 AGB 阶段
▪ 无氦闪，从 H 燃烧到 He 燃烧的转换相当平稳
▪ 恒星结构的调整发生在恒星内部 光度变化 很小
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▪ 离开主序时，大质量 恒星开始膨胀，因而 其表面温度下降，所 以在H-R图上几乎水 平向右运动
▪ 在极端条件下，约1/5 核物质转变为中微子(1秒钟内)。 由于高密度，一小部分中微子被滞留在激波后 在 核的周围形成一个气泡(极端炽热气体和强烈辐射） 气泡的压力增加了向外运动激波的强度
▪ 大的温度梯度使得大质 量恒星的核心区处于对 流状态 物质融合
▪ 当H燃烧时，核心区 He均匀增长 化学成 分在核心区演化时保持 均匀分布（但H/He之比 在变小）
• 小质量恒星：核心区He 丰度由内向外减小
25倍太阳 质量恒星
非简并核
▪ 当核心区的H烧完 （主序阶段结束） ，早在 电子简并发生前，由于坍缩，中心核的温度已 达到 He 燃烧的108 K
胀
▪ 恒星基本被周围尘埃遮挡
▪ 目前质量丢失率: 10-3Msun/年
▪ 19世纪(第二亮恒星)喷发： 0.1Msபைடு நூலகம்n/年；2Msun in 20年
▪ 双星（90 和30Msun）？
Fe 是热核聚变所能合成的最重元素
▪ 结合能：把原子核分开所需的能量。不同原子 核的结合能不同
▪ 燃烧必须释放能量：静能量 = 产物结合能 – 反 应物结合能
1。 大质量恒星的演化
▪ 大质量(>3[8]Msun)恒星与小质量恒星大相径庭：
• 光度可达太阳的数千甚至数百万倍 • 在短时间内消耗巨额核燃料，主序寿命显著变短
▪ 不同的演化和归宿仍然受相同的物理规律支配， 即引力和压力的平衡, 以及决定这种平衡的核反 应率
▪ 内部温度更高，恒星内部H燃烧通过CNO循环 进行，辐射压对维持恒星的力学平衡起更大作 用
核燃烧持续时间快速减少
▪ 对 9 M⊙ 恒星：
• H燃烧 持续时间 2千万年 • He燃烧 持续时间 2百万年 • C燃烧 持续时间 380年 • Ne燃烧 持续时间 1.1年 • O燃烧 持续时间 8月 • Si 燃烧 持续时间 4天
▪ Si 燃烧的能量释放率是He燃烧的约2亿倍！但 光度可能仅增加少许（中微子冷却）
Fe原子核的结合能 最大 铁不会燃烧
重元素燃烧：高核反应率
▪ 结合能的不同 最有效的热核反应是 HHe （0.7%） （HeC 的能量转换效率只有 HHe 的1/10，……） 为了平衡引力，低 能量转换效率的燃烧，单位时间必须消耗更多 的燃料
▪ 而且，H 和 He燃烧时，能量以较慢的辐射/对 流方式向外传输。但C、O、 …燃烧时，大量 能量则以快速的中微子冷却方式向外传输 恒星向内收缩 增加内部的密度和温度 更 剧烈的反应率
▪ 巨大的Fe核密度 e-+p n+v 也消耗巨额热 能 加速Fe核坍缩
▪ 中微子继续带走能量 加速Fe核坍缩
▪ 这些过程发生时间仅需大约1秒！ ▪ Fe核坍缩加速到 70,000km/s ( ~1/4 光速)!
II型（核坍缩）超新星爆发 Type II supernova
▪ 当ρcore = ρ原子核，强核力变为斥力，核坍缩停止 下 落物质造成反弹激波向外传播…
两类H聚变：温度的函数
▪ 质子链和 CNO 循环这两种反应的产能率是温度（质 量）的函数
▪ M > 1.5 Msun （T>1.8 千万K）主序恒星，两类H聚变 都在发生，但CNO循环远比质子链有效
▪ M < 1.5 Msun （T<1.8 千万K）主序恒星，质子链产 生大部分能量
对流核：化学成分均匀
天文学导论
第10讲 大质量恒星演化
It does not do to leave a live dragon out of your calculations, if you live near him.
J.R.R. Tolkien (1892-1973) THE HOBBIT
本讲内容
1. 大质量恒星的主序后演化 2. 超新星与超新星遗迹 3. 元素合成 4. 中子星/脉冲星 5. 黑洞（恒星级） 6. X射线双星 7. 伽马射线暴
▪ 其结构类似于小质量 HB星： He核燃烧 + H壳层燃 烧+…
氦燃烧
碳燃烧
▪ 当核心He枯竭 C 核坍缩（不简并） 温 度上升到T >= 8x108 K C 开始燃烧
▪ C燃烧产生大量重元素：钠、氖、镁 ▪ 结构：C核燃烧 + He壳层燃烧 + H壳层燃烧
+…
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重元素依次燃烧
▪ 当核心C枯竭 氖Ne燃烧 + C、He、H壳层 燃烧 + …