天文学导论-作业7¶

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恒星形成过程及原恒星主要能量来源¶

根据老师上课讲到的内容和我的搜索，恒星的形成过程如下：

分子云： 恒星形成始于巨分子云，这些是由气体和尘埃组成的冷暗云团，主要成分是氢和氦，以及一些较重的元素。在分子云内部，由于自身的引力作用，云团开始收缩。这种收缩可能是由外部因素触发的，比如附近的超新星爆炸（恒星形成区域附近往往产生过超新星）、星系碰撞或者云团内部的湍流。当云团收缩时，其内部的密度和温度逐渐升高。当核心的密度和温度达到一定程度时，核心开始变得不透明，外部的辐射无法逃逸，导致核心进一步加热。
原恒星阶段： 当核心的温度和压力足够高时，氢原子开始通过核聚变反应转化为氦，释放出巨大的能量。这个过程称为核聚变，是恒星能量的来源。此时，核心变成了一个原恒星。原恒星是恒星诞生前的状态，在光学波段几乎不可见，但是红外很明亮。恒星形成于星云内的原恒星云坍缩形成茧。角动量守恒导致原恒星盘形成其是恒星和卫星的诞生地。
主序星阶段： 随着核聚变的持续进行，恒星内部的压力和温度达到一个新的平衡状态，恒星进入主序星阶段。在这个阶段，恒星的光度和大小相对稳定，核聚变在核心持续进行。

原恒星的主要能量来源是：

引力收缩： 当分子云在自身引力作用下收缩时，云团内部的气体粒子相互靠近，导致引力势能转化为内能。
内能增加： 随着内能的增加，原恒星核心的温度和压力逐渐升高。

在原恒星阶段，氢聚变成氦的反应尚未点燃，引力收缩释放的能量是其主要的能量来源，直到核心温度和压力足够高，触发氢核聚变反应，恒星才进入主序星阶段，核聚变成为其主要的能量来源。

恒星结构和演化与质量的关系¶

恒星的结构和演化主要由其质量决定，因为质量决定了核心区温度（流体静力平衡），直接影响恒星内部的压力、温度和核反应速率。不同质量的恒星在演化过程中其核反应过程，能量运输方式都有所区别。

不同质量恒星的演化过程如下：

低质量恒星（小于太阳质量的3倍）：
- 这些恒星在主序星阶段通过质子-质子链反应将氢转化为氦，由于质量较小，它们的内部温度和压力不足以引发更重元素的核聚变。
- 在氢耗尽后，低质量恒星会膨胀成为红巨星，但不会像更大质量的恒星那样经历剧烈的核聚变过程。
- 最终，这些恒星可能会抛出外层气体，形成行星状星云，留下一个白矮星作为核心。白矮星会逐渐冷却并暗淡，最终成为黑矮星，但这一过程非常漫长，目前宇宙的年龄还不足以观察到黑矮星的形成。
中等质量恒星（太阳质量的3倍到8倍）：
- 这些恒星在主序星阶段也通过质子-质子链反应进行氢燃烧，但它们的演化速度比低质量恒星快。
- 氢耗尽后，它们会经历氦聚变成碳和氧的过程，并可能进一步经历更重元素的核聚变。
- 最终，这些恒星也会形成行星状星云，并留下一个白矮星作为核心。
高质量恒星（超过太阳质量的8倍）：
- 这些恒星在主序星阶段通过碳氮循环进行氢燃烧，由于核心温度更高，它们会更快地消耗氢。
- 氢耗尽后，它们会经历连续的核聚变过程，从氦聚变到更重元素的聚变，直到铁。
- 最终，这些恒星可能会经历超新星爆炸，留下中子星或黑洞作为核心。如果恒星的质量超过太阳的30倍，它们可能会直接坍缩成黑洞。

宇宙中各种元素的形成过程¶

根据老师上课讲到的和我的搜索，宇宙中各种元素的形成有如下几个过程：

大爆炸核合成：

在宇宙大爆炸后的几分钟内，宇宙处于高温高密度状态，质子和中子通过核聚变反应形成了最轻的元素，主要是氢，除此之外还有一定的氦和微量的锂。
恒星内部核聚变：

几乎所有比氦重的原子核都是在恒星内部的核反应中产生的。
- 氢燃烧：恒星通过氢燃烧将氢转化为氦，这是恒星能量的主要来源。
- 氦燃烧：在更高温的条件下（恒星质量小于8倍太阳质量），氦原子核进一步聚变成更重的元素，如碳和氧，碳和氧进一步形成碳氧核。
- 碳碳熔合：在8-10倍太阳质量下，碳原子相互融合形成氖，生成氖氧白矮星及行星状星云
- 氧、氖、硅燃烧：对于质量更大的恒星（大于10倍太阳质量），硅、氧和氖等元素的燃烧过程继续生成更重的元素，直至硫、铁、镍等。
中子俘获过程：

大质量恒星在耗尽核心的核燃料后，可能会经历核心塌缩，导致超新星爆炸。在这种极端条件下，可以形成比铁更重的元素，通过中子俘获过程（r过程和s过程）。
- s过程（缓慢中子俘获过程）：在一些恒星内部，如红巨星，中子流量较小，允许原子核在俘获下一个中子之前有时间进行β衰变，从而形成较重的稳定元素，如铁和铋。
- r过程（快速中子俘获过程）：在超新星爆炸或其他富含中子的环境中，中子流量很大，在下一次中子俘获之前没有时间发生β衰变，直至俘获多个中子后才会经历β衰变，从而形成大于铋的重核，包括铀和钍。