星系演化与恒星的光谱级别
三水锰矿 / 2021-10-02
星系演化与恒星的光谱级别
概略地说，一般认为恒星是按照下列顺序过程演化的。起初是由变冷了的原始氢和氮以自身引力而集聚，对于象太阳那样大小（质量为工1.991×10³0kg=1M）和中等密度的恒星来说，这一过程需要20年。这种引力收缩会释放出热能，部分热能通过辐射失去;但是继续收缩造成温度稳步上升，直到约 10 7K，其中心部分（芯部）可以导致产生核反应。这些核反应释放出足够的多余能量，以补偿辐射损失，并建立一个瞬时平衡或稳定态。
当芯部10%的氢消耗了之后，再次发生引力收缩，直到温度约为2×10 8K时可以发生氦燃烧（核聚变）。跟着产生类似的耗损、收缩和温度升高，直到 10°K 左右可以发生包括更重一些核（Z=8～22）在内的核反应。这些过程的时间标度对 恒星的质量十分敏感，对于质量为0.2M。的恒星来说，时间约为 10¹²y，对于质量为1M。的恒星则为10¹0y，对于质量为10M。的恒星为10 7y，而对于质量为50M。的恒星则仅为8×10 4y。即恒星越重，
它消耗自身的核燃料越快。此后，可以进一步发生突变，使得许多星球物质喷射到空间中去.在空间这些物质又与别的氯和氨掺和在一起，成为下一代恒星。但是应该指出，因为铁处在核结合能曲线的极大值位置，只有铁（Z=26）之前的那些元素才可以按上述考虑的那利放热过程而产生，如果溢度上升得足够，这些过程就能自动发生。要进一步促成铁以后元素的建造就需要输入能量。
星球演化理论所根据的证据不仅来白已知的核反应和相对论的质能等价性，而且还来白从恒星到达地球的光线的光谱分析。这种分析产生了尾球的光谱分级，光谱分级是现代实验天体物理学的基石。星光的光谱分析揭示出关于恒星化学组成的许多信息、—恒星中存在的元素相同，且元素的相对浓度也相同。 此外，"红移"和 Doppler 效应可以用来测算恒星彼此的相对运动，以及它们与地球的距离。更微妙的是，恒星表面的温度可以根据具"黑体"辐射的光谱特性来测定，温度越高，发射极大值的波长就越短。因此，较冷的恒星显示红色，较热的恒昆依次显示出黄色，白色和i 蓝色，颜色上的差别也与化学组成上的差别有关，如表1.1所示。
如果以恒星的光谱级别（或者温度）对它们的绝对星光度（或者发光度）作图，这种图便显示出几个集中的区域，大多数的恒星处在这些区域里。这种图最早是由 Hertzsprung 和 RusselI在1913年左右独立作出的，现在称之为 ER图（图1.2）。90% 以上. 的恒星处在一条称之为主星序的宽阔带中，它包括了整个光谱级别和星光度的范围，从顶端的既大又热且质量巨大的O级恒星到底部的小而密的微红色M级恒星。这一关系表示在图1.3中。但是必须着重指出;"大"和"小"的称呼纯粹是相对的，因为，在主星序中的所有恒星均属于矮星级别。
下一个数目最多的恒星组位于主属序的右上方，称之为红巨星。例如，五车二<御夫座α）和太阳都是G级恒星，但五车二的发光度为太阳的 100倍;因为它们具有相同的温度，所以断定五车二的辐射表面必为太阳的100倍，故其半径约为太阳的10倍。位于红巨星上面的是超巨星如心宿二（天蝎刚α，见图1，4），其表面温度只有太阴的-半，但发光度却为太阳的 工0000倍，因此可以断定它的半径是太阴的1000倍。
相反，HR图的左下角属于比较热的低发光度恒星所在部位，这意味着这些恒星是很小的。这些均是白矮星，象天狼 B，它的大小与地球差不多，但是它的质量却与太阳的相同，暗示其密度约为5×104g·cm-8，这表明这些星体具有异乎寻常的致密性质。
现在可以将星体类型的这种描述与热核过程的讨论 联系起来，至于元素的合成将在下一节中讨论。当一个原始恒星开始由星际间的氢和氦以引力收缩的方式形成时，它的温度升高，直到它的芯部温度能够维持质子燃烧（§1.4.1）为止。 对于一个质量接近太阳的恒星来说，这一过程表示在图1.6中。这样的恒星可能90% 的生命耗费在主星序中，仅失去很少的质量，但却产生了惊人数量的能量。在芯部氢消耗后<但恒星外层的氢不消耗），将导致进一步的收缩，造成了一个燃烧的氨芯，从而迫使多数未燃烧的氢进入到广阔丽稀薄的外包层。因为这种星体辐射的表面积很大，尽管有较高的芯部温度，却不再能维持象以前那样的高温，所以星
体变成了红巨星。典型的红巨星具有的表面温度在 3500～5500K 范围内，其发光度约为太阳的10°～104倍，直径约为太阳的 10～100倍。在较老的红巨星中，随之发生碳燃烧（§1.4.2），当它最终死亡而变成白矮星状态时伴随发生α 过程（§1.4.3）。
事实上，许多恒尾是由彼此围绕转动的两个星体形成的双星系伴星。象经常出现的情况那样，如果两个星体具有不同的质量，
、a则较重的那颗将演化得快些，比其伴星更早些达到白矮星阶段、所以当第二个恒垦体扩展而变为红巨星时，在它伸展的大气中包住了相邻的白矮星，并造成了不稳定的性质，结果发生能量火爆炸，并使物质转移到更重的伴星上去。处在这一过程中，白矮星的发光度也许会增大1万倍，该过程被看作是产生一颗新星（因为此前肉眼是难以看到上述双星的）。
我们在描述e-过程和7-过程时（§1.4.4和§1.4.b）将会看到，在较大的主星序恒星中可能发展成更加惊人的不稳定性。如果起始质量在3.5个太阳质量以上，现行的一些理论认为，引力崩溃可能是一种突变，以致使体系向内爆炸超出核密度范围而成为一一个黑洞。 对于质量范围为1.4～3.5M。的主星序恒星来说，内向爆炸可能在核密度情况下停止而产生一个快速转动的中子星（密度约为1014g*om-8）。这种星体可以看作是一个发射电磁辐射的脉冲星，其频率范围很宽，时间间隔为几分之一秒。在星体内爆炸的这一过程中，崩溃芯体达到核密度时突然受阻而产生极高的温度（纳1018K）和高压，这将产生一种向外运动的冲击波，它冲击星体的外套层而产生快速的压缩和温度的猛烈升高，突然引起许多新的核反应，并喷射出不少的星体物质。最终的结果是出现一个超新星，亮度最高可达到原先星体的 108倍。这时，单独一个超新星的亮度就可以与生成它的星系中所有其它星体的总亮度相比拟．两个月以后，超新星的亮度按 55士1d的半衰期指数衰减。曾经指出。这一半衰期很接近于254Cf 的半衰期，当288U在氢弹爆炸中受强中子通量照射时，会产生显著数量的254Cf。来自垂死的红巨星的超新星.新星和不稳定的变星全都是合成重元素的成员，而它们喷射到显际空间的物质则用于凝集以后各代主星序恒星（如太阳）的过程中。应该强调，化学元素起源的各种理论提出时间都不太久，而且细致的过程还没有办法充分了解①。但是这是现今研究中一个非常活跃的领域，在本章给出的这些结论都是很初步的，在未来的实验和理论研究中，无疑地会对它们进行修正和改进 我们目前可以借助这些认识，对认为是元素合成中的具体核过程进行较详细的讨论。
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