最新资讯

物理A2难点解析:Stellar evolution & HR diagram

来源:原创   发布人:学通四老师   发布时间:2018-08-01

  物理A2最让人懵逼的东西之一就是宇宙学 cosmology了,各种red giant, white dwarf. 已经不止听过一个人哀嚎——cosmology 都什么鬼?今天,学通国际教育四老师就带着大家来理一理星球的演变过程。

  恒星的一生,是使它坍缩的gravity(引力)和使它膨胀的outward pressure(压强)之间的持续的斗争。

  The birth of a star 恒星的诞生

  Stars form in huge clouds of dust and gas called nebulae.

  最初的最初呢,他们是一团叫作 nebula(星云)的尘和气体。

  The gravitational force pulls more and more matter into a clump calleda protostar.

  Gravitationalforce(引力)将这些尘和气体牢牢抓在一起,聚集的物质越来越多,它们成为一个叫作 protostar(原恒星)的大块。

  The gravitationalpotential energy lost is converted into kinetic energy which causes a rise incore temperature.

  在物质聚集在一起的过程中,G.P.E (重力势能)减少了,伴随着的是 K.E(动能)的增加,K.E 的增加带来了核心温度的提高。

  Eventually thekinetic energy and the density is high enough to overcome electrostaticrepulsion and begin the fusion of hydrogen.

  等到能量和密度足以原子核之间的 electrostatic repulsion(静电排斥)时,氢原子的核聚变(fusion)就开始了。

  The thermalactivity (radiation pressure) stops further gravitational collapse—— A main sequence star is born.

  聚变产生的热/辐射使得物质不能进一步受引力作用塌缩,这时恒星达到了一个相对稳定平衡的状态——main sequencestar(主系星),而恒星会在这个状态待很久很久。我们的太阳也在目前这个最稳定的状态。此刻恒星叫作 Sun-like star。如果恒星拥有很大的质量,它在这个阶段比起 Sun-like star 会有更高的温度,这样的有着巨大质量的恒星在此时有另外的名字——blue supergiant.

  Death of stars(恒星的逝去)

  The radiationpressure, due to nuclear fusion, balances the gravitational forces. As thehydrogen fuel runs out, the radiation pressure drops.

  原本在主系星中,热辐射与引力互相平衡。但是当氢核聚变的原料——氢,用完了之后,不再进行氢核聚变,热辐射就下降了。

  The starcontracts. GPE is converted into KE and the star heats up.

  恒星收缩,重力势能转换为动能,而动能的增加导致了恒星的温度再一次上升。

  If the mass ofinitial star is less than 0.4M0, you end up with a relatively small hot whitedwarf that slowly cools.

  如果恒星的初始质量小于0.4个太阳的质量,它会变成一个相对较小的缓慢冷却的 whitedwarf(白矮星)。随着时间,热辐射减少,重力的作用导致它收缩,而收缩又会产生热。白矮星中的燃料消耗殆尽,但它仍然发出热辐射。

  如果恒星的初始质量大于0.4个太阳的质量,它仍然要继续它的人生。

  Nuclear fusion ofthe helium core begins with hydrogen around the core.

  此时恒星核内大部分是氢核聚变的产物——氦。坍缩带来的温度上升和密度减小使得恒星可以进行进一步的聚变——氦核聚变。

  There is a massiveexpansion of the star, with the photosphere further from the core leaving alarger cooler red giant fusing heavier elements.

  恒星会有一个巨大的膨胀,外层的物质离核心越来越远,留下一个体积更大温度更低的 red giant(红巨星)继续聚变更重的元素。

  膨胀中恒星会把很多物质抛向周围,此时它是一个planetary nebula.

  恒星的核聚变中能得到的最重的元素是铁,因为铁原子有最大的 binding energy per nucleon. 如果要获得更重的元素,需要其他的过程提供更多更多的能量。

  如果最初的恒星的质量在0.4-0.8个太阳的质量之间

  The star againruns out of fuel and collapses in on the core, however this time the mass is sogreat that the core implodes, a shockwave rips through the star and it explode.

  燃料用尽后恒星会坍缩,而这一次因为质量很大于是重力也很大,突然的收缩造成密度的急剧上升,它的核心会 implode. 出现sudden burst of energybouncing the collapse back out也就是产生shockwave, 造成explode.此刻的恒星叫作 type 2 supernova.

  Type 2 supernova 有两种走向

  当恒星的质量在8-20个太阳的质量之间,core remnant mass(核心剩余质量)在1.4-2.5个太阳的质量之间时,它最后会变成 neutron star(中子星),保留了 the central core of stellar material。

  当恒星的质量大于20个太阳的质量,core remnant mass大于2.5个太阳的质量时,它会变成 black hole(黑洞)。黑洞有极高的密度,引力极其大,就连光也无法逃脱它。

  本文中的数值与 edx 书中稍有出入,比如说书中的中子星与黑洞是以核心剩余质量为太阳的3倍为界限的,本文的数值会精准一些。Edx 在2010年之前的某次考试中考察过这个数字,但是标准答案采用的并非书上的数值,而是本文中提到的数值,让一群小伙伴一脸懵逼。之后从2010到2016年均未考察过数值,书中讲得也不是特别详细,如若真考到应该本文中与书中的数值均可。

  数值的考察可能不是重点,但是还请各位小伙伴对恒星的演变有一个清晰的概念,一个原生星通过什么样的过程会发展成什么,一定要弄清楚。

  将恒星的演变与HR-diagram 也是重点之一。

  HR-diagram 的横轴是 temperature, 纵轴是相对太阳的luminosity.

  需要注意的是HR-diagram 使用的是log scale,可以看到横轴和纵轴的坐标的数值是成等比数列(geometric sequence)的。至于为什么要使用 log scale,是因为数值都很大,使用起来会方便些。

  更需要注意的是:横轴的数值由左到右是降低的。

  因为纵轴是相对太阳的数值,如果问太阳在这个图的哪个位置,必定是先确定纵轴的1 在哪里,然后在main sequence 上找到对应的位置。

  真题中也有出现对恒星演变在HR图上演示,大致的方向我在图中也标明了。

  可以看到white dwarf 是相对高温和昏暗,而red giant 是相对低温和明亮。

  根据Stefan-Boltzmann law, 可以推出white dwarf 拥有较小的体积,而red giant 拥有较大的体积。

  想要了解更多A-level课程的信息,可以咨询学通国际教育顾问老师。

学通二维码
手机需输入正确的手机号码
X