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【科普季】浅谈恒星演化全过程

只看楼主收藏回复

作为科普有个很神奇的经验公式就是
观众=科普质量/公式数量
当然突然冒出了一条楼主即兴写出的公式感觉到自己走上了一条自己挖的不归路。当然在接下来楼主并不打算将我的科普公式化,所以在选材上十分纠结。有什么东西可以尽量的没有公式。这里我想到了那本《量子力学史话》,作为一本对量子的初步了解只本书确实非常好!但是里面的公式感觉存在简直毫无意义。没有推导过程懂的人越看越懂,不懂的人越看越不懂,记住了公式可根本不知道每个字母是什么意义。
所以在接下来的科普里,楼主尽量不出现任何会减少观众的公式。


IP属地:北京1楼2013-07-29 23:49回复
    星云阶段
    由最初的星云形成恒星必须经过引力坍塌的过程,但坍塌并不是所有星云都可以做到的,我们知道分子间的热运动,微观粒子相互撞击,越是剧烈的撞击物体越热,这是内能的微观体现。庞大的星云也具有这种过程,而且要更为剧烈,剧烈到一些热星云可以抵抗星云内气体粒子的坍塌过程,就无法形成恒星。金斯在1902年提出的被称为金斯引力不稳定性理论,就是指明恒星只有满足一定物理条件时才可以产生。金斯引力不稳定性引入了大量的公式,这里引用原文中对公式的解释:假设星云状态是一种理想状态,它与实际状态之间的差异可能是很大的。例如,实际星云的中心密度一般比较高,因而中心附近的物质要先于边缘的物质到达“核”。中心地带密度增长快导致边缘物质还没有到达,中心就开始了聚变反应,聚变对外产生的能量阻碍了边缘物质的下落,或把它们驱散。在简要说下形成恒星还需要满足的三个要求,在坍塌过程中:1损失能量2损失角动量3损失磁能。其一是为了减少粒子间膨胀对恒星形成的阻碍。其二是为了不至于角动量方向离心力导致停止收缩3其三,我们知道磁场强度和半径成反比,之前星云微弱的磁场因为坍塌成恒星尺度从10^19cm压缩到了10^11cm。这个过程使磁场增加了10^16倍。必须是天文数字啊。如果不损失掉一部分磁能,对恒星的形成同样是阻碍作用。(之后会提到密度更大的中子星,就具有极强的磁场)
    乱弹:在不知道太阳是聚变之前,人们猜想太阳上都是煤,而太阳体积的煤只可以持续燃烧3K年,根据进化论的资料,地球的年龄远比这个久远,而太阳至少和地球一样大。这就不免叫当时的科学家疑惑了。顺便一提遁遁有一篇转载的如何在太阳上取煤,大概就是这个名字吧,挺搞笑的,大家可以翻来看看。


    IP属地:北京2楼2013-07-29 23:50
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      主序星过程
      从聚变所需的能量说起
      小时候听说氢弹需要核弹来引爆,觉得莫名其妙,用核弹炸氢弹破坏了氢弹的结构怎么办?其实当时的一己之见就完全是因为知识过于匮乏,氢核聚变的所需温度之高只有用重核的链式反应才能达到,当然不是真的放一颗核弹进去,只是为了满足氢核聚变最原始的条件,之后就可以自发进行。
      两个氢核想要在一起必须克服库伦势垒,这要求足够大的动能,计算结果是2*10^10K,非常惊人的温度,实际上,并不需要那么高。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布,不同粒子因为遭受不同的碰撞过程有不同的概率分布函数,尽管整体未必能达到温度,但是单个粒子的动能有时候会变得非常大。在考虑到量子遂穿效应,克服库伦势垒的温度被降低到了700万K,依靠恒星引力是可以做到的。
      顺便一提,氢聚变的温度要求恒星质量不小于0.08倍的太阳质量,这显然也远大于木星质量,所以木星即使被点燃也不会成为恒星的。


      IP属地:北京3楼2013-07-29 23:50
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        科普确实不好写,光楼主这几段话憋了俩小时。所以参加科普的同学注意好自己的身体和时间,不要熬夜写,没时间就不写或者写一些短篇的,把身体和学习整下去就太糟糕了!
        楼主今天先更到这里,可以插楼,但是不要太水,过多水层我会考虑拆掉一些,原则上不灌水大家都很安全。


        IP属地:北京5楼2013-07-30 00:00
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          阳光熬夜写确实很辛苦,快去休息吧。我还等着看你下一篇木有公式的科普捏。


          6楼2013-07-30 07:35
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            虽然累 ,但是感觉很棒


            IP属地:江苏来自iPhone客户端7楼2013-07-30 07:39
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              我稍微吐个槽补充一下氢的同位素聚变:1.两个氢原子核聚变成一个氘原子核,同时放出一个正电子,一个高能光子.2.两个氘原子核聚变成一个氦三原子核,同时放出一个中子,一个高能光子.
              3.两个氦三原子核聚变成一个氦原子核,同时放出两个质子,一个高能光子.
              加一下,八个氢原子核,聚变成一个氦原子核,放出两个质子,两个中子,两个正电子,七个高能光子,净合四个氢原子核聚变成一个氦原子核.
              如果引起争议请删除、


              8楼2013-07-30 09:57
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                (a)当恒星从星际介质形成之初,它是一边收缩,一边把引力能辐射出去,没有核能。。(b)当恒星中心的温度达到一百万度左右时,第一轮核反应便开始出现。c)当恒星中心的温度达到一千万度左右时氢便开始燃烧。(d)当恒星的氢燃烧阶段完成时,在一段时间内可能没有任何别的核能产生过程出现,这时恒星作缓慢的收缩(e)恒星核在氦燃烧阶段内停留的时间是不会太长的,这是因为同氢燃烧阶段所产生的能量相比。


                9楼2013-07-30 10:03
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                  这个要学习学习


                  10楼2013-07-30 11:47
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                    我终于知道为什么我的帖子没有人看了····为了追求纯科普····我一个公式都没有写·····


                    11楼2013-07-30 20:15
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                      虽说是浅谈,但如果就这么把主序星说完了就太浅了。
                      知道了恒星的聚变原因,下面给大家讲讲恒星的聚变过程:
                      楼上@风恋终狂神 说的是PP链的过程,即质量小于二倍太阳质量的恒星主要的聚变方式,重点在“主要”两字。试想恒星不可能到某一质量突然全部转化成某一供能方式。这里是个易混淆的地方所以多说了两句。PP链有三个分支,风恋说的是第一种,但和我的并不完全相同,可能是因为不同的推导吧,在天体物理上常见这种情况,因为用了不同的模型,或者不同的方程,结果存在较大的差异。
                      PP-1: 氕+氕→氘+电子+高能光子+中微子
                      氕+氘→氦3+高能光子
                      氦3+氦3→氦4+2氕
                      学过高二化学的其实能看懂反应过程,不过为了消灭公式我完全翻译过来了。最后综合的反应结果就是:
                      4氕→氦4+26.20MeV
                      PP-2: 4氕→氦4+25.67Mev
                      PP-3: 4氕→氦4+19.23Mev
                      大家肯定都发现了,同样是4个氕,差距咋嫩大肋!?看PP-1,我们对照的是最终的结果,这并不是整个反应过程,中间的变化是不一样的,PP-2中间会生成Li和Be。PP-3中间会生成Be和B。这就是不一样的原因。
                      PP循环是两倍质量一下的恒星的主要聚变方式,大于两倍太阳质量的恒星还有一种新的聚变方式——CNO循环
                      CNO-1:4氕→氦4+25.01Mev
                      CNO-1:4氕→氦4+24.80MeV这两个过程大概占产能的20%我在楼下单独贴一层这个过程,因为原谅我无法口述....看不懂的同学可以完全无视掉,因为我专门为它设计了一层0.0
                      ↓↓↓


                      IP属地:北京12楼2013-07-30 23:26
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                        手机上没问题,一发过来就不知道像素会成啥样


                        IP属地:北京来自Android客户端13楼2013-07-30 23:27
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                          简要说一下位力定理,根据位力定理我们知道:恒星向外辐射能量时,总能量减小,但温度却会因此而升高。表现出负的比热。这里的负意味着热力学箭头反向。相似的情况也有黑洞,黑洞的表面热容也是负的。但原因不同。之后会为大家讲解。@joy12 记得joy娘问过这个问题,虽然是一年前的帖子了,没在意解决没有,就给你圈来了。


                          IP属地:北京14楼2013-07-30 23:37
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                            下面会给大家讲解主序星以后的过程,看起来快结束了是吧?错啦,一想到致密星楼主心中仿佛有数万只草泥马奔腾而过,一阵又一阵,一阵接一阵。
                            先从小质量恒星末期的演化讲起:
                            质量小于2.3倍太阳质量的恒星被称为小质量恒星。它们最终的结果是白矮星,如果有同学说是黑矮星也不错,但是白矮星冷却为黑矮星时间之久超过了现在宇宙的年龄,所以我们现在不可能发现黑矮星。
                            我们知道恒星主要集中在内核,当内核聚变完以后,就形成了一个中心为氦核,外部有丰富氢元素的球球。氦核表面的氢还在持续的燃烧着,产生氦,中心氦核的质量持续的增加着。当增大到一定程度,压力就抵抗不了氦核的引力开始了坍塌的过程。引力收缩使势能转化为辐射能,这些能量注入氢外层,使外层膨胀,,半径增大,膨胀的同时表明降温,从此这颗恒星离开了主序星。现在,他叫做亚巨星。亚巨星继续膨胀,但是因为对内层光子的吸收作用,温度降低到一定程度就会停止,接近一种平衡状态。持续的膨胀使他的表面积越来越大。就成了红巨星。
                            当小质量恒星(<203倍太阳质量)变成红巨星后,中心氦核区域的电子由于密度增大而发生兼并,理论计算表明,当中心兼并核的质量达到临界值约为0.45倍太阳质量时,中心温度可达10^8K,此刻氦开始燃烧,发生3α①反应氦聚变使核温度上升,中心区域发生绝热膨胀②。但在电子兼并的情况下,绝热膨胀时压力并不减小,所以核反应加速进行,这样进行的氦燃烧是一种爆炸式的燃烧,称之为氦闪。氦闪的时间极短,一般只有数秒或数分钟。
                            氦闪产生大量的热量是温度升高,但密度基本保持不变,因而氦核内的电子由简并的变为非简并的。此时星核膨胀,吸热,光度骤减,恒星在赫罗图上的文职下降,然而进入稳定的氦燃烧阶段。此时主要的反应时氦聚变,同时也有氧生成。此时,星核的周围是氢燃烧的壳层,这种核心燃烧氢,核心燃烧氦的状态叫做水平分支。水平分支在赫罗图上的位置,既与恒星的初始质量有关,也与红巨星阶段外层的质量损失有关。
                            当中心氦核中的氦还进之后,中心氦核变为由谈何氧组成的碳-氧核,且核心由于核反应停止而收缩,从而升高了外层的压力和温度。这样,核心外缘又有一层氦点火,而点火的氦层之外还有一层氢在燃烧,恒星处于双壳层燃烧阶段。这种双壳层燃烧阶段称为渐进巨星分支。在这一阶段中,中心碳-氧核的质量继续增加,恒星的光度由于双壳层燃烧产能而增大,使外层不断膨胀,因此恒星有上升到了红巨星分支。
                            当星核由于进一步收缩而再次发生电子简并时(星核部分相当于一颗热的碳-氧白矮星),燃烧的双壳层变的更大因而光度更大,在双壳层燃烧的结束阶段便形成红超巨星。由于此阶段外壳物质的大量损失(超星风所致)红超巨星生存的时间不会太久。红超巨星以后,外层物质损失非常快,相当于物质抛射,壳层燃烧物质迅速靠近表面而消失,从而恒星的演化轨迹在赫罗图上相作坊移动,变为行星状星云③,而行星状星云的中心就是原来的星核,此时它已经成为了一颗独立的碳-氧白矮星。


                            IP属地:北京15楼2013-07-31 23:33
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                              ①3α:3α过程是3个氦原子核(α粒子)转换成碳原子核的过程。
                              这种核融合反应可以在超过一亿度K的高温和氦含量丰富的恒星内部迅速的发生。同样的,他发生在较老年,经由质子-质子链反应和碳氮氧循环产生的氦,累积在核心的恒星。在核心的氢已经燃烧完后,核心将塌缩,直到温度达到氦燃烧的燃点。
                              4He + 4He ↔ 8Be
                              8Be + 4He ↔ 12C + γ + 7.367 MeV
                              这个过程释放出的净能量为7.275 MeV。
                              在第一个阶段形成的8Be是不稳定的,会经历2.6×10-16秒就再分裂回氦,但是在氦燃烧能形成8Be的条件下,只要有微小的平衡丰度,就能再捕获一个氦原子核形成12C。这种结合三个氦原子核转换成碳的过程就称为3α过程。
                              ②绝热膨胀:绝热膨胀是与外界没有热量交换的膨胀过程。但气体对外界做功,气体膨胀,因此,并不同于孤立系统。
                              ③行星状星云:行星状星云实质上是一些垂死的恒星抛出的尘埃和气体壳,直径一般在一光年左右。由质量小于太阳十倍的恒星在其演化的末期,其核心的氢燃料耗尽后,不断向外抛射的物质构成。行星状星云是指外形呈圆盘状或环状的并且带有暗弱延伸视面的星云,属于发射星云的一种。在望远镜中看去,它具有像天王星和海王星那样略带绿色而有明晰边缘的圆面。 行星状星云呈圆形、扁圆形或环形,有些与大行星很相像,因而得名。


                              IP属地:北京16楼2013-07-31 23:34
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