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【物理A2難點(diǎn)】Stellar evolution & HR diagram

Category: 國際課程 Date: 2018年4月16日下午6:11

物理A2最讓人懵逼的東西之一就是宇宙學(xué)?cosmology?了，各種red giant, white dwarf.?已經(jīng)不止聽過一個(gè)人哀嚎——cosmology?都什么鬼？？

今天，我就帶著大家來理一理星球的演變過程

恒星的一生，是使它坍縮的gravity（引力）和使它膨脹的outward pressure（壓強(qiáng)）之間的持續(xù)的斗爭。

The birth of a star?恒星的誕生

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

最初的最初呢，他們是一團(tuán)叫作?nebula（星云）的塵和氣體。

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

Gravitationalforce（引力）將這些塵和氣體牢牢抓在一起，聚集的物質(zhì)越來越多，它們成為一個(gè)叫作?protostar（原恒星）的大塊。

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

在物質(zhì)聚集在一起的過程中，G.P.E?（重力勢能）減少了，伴隨著的是?K.E（動(dòng)能）的增加，K.E?的增加帶來了核心溫度的提高。

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間的?electrostatic repulsion（靜電排斥）時(shí)，氫原子的核聚變（fusion）就開始了。

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

聚變產(chǎn)生的熱/輻射使得物質(zhì)不能進(jìn)一步受引力作用塌縮，這時(shí)恒星達(dá)到了一個(gè)相對穩(wěn)定平衡的狀態(tài)——main sequencestar?(主系星)，而恒星會在這個(gè)狀態(tài)待很久很久。我們的太陽也在目前這個(gè)最穩(wěn)定的狀態(tài)。此刻恒星叫作?Sun-like star。如果恒星擁有很大的質(zhì)量，它在這個(gè)階段比起?Sun-like star?會有更高的溫度，這樣的有著巨大質(zhì)量的恒星在此時(shí)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，熱輻射與引力互相平衡。但是當(dāng)氫核聚變的原料——?dú)洌猛炅酥螅辉龠M(jìn)行氫核聚變，熱輻射就下降了。

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

恒星收縮，重力勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，而動(dòng)能的增加導(dǎo)致了恒星的溫度再一次上升。

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

如果恒星的初始質(zhì)量小于0.4個(gè)太陽的質(zhì)量，它會變成一個(gè)相對較小的緩慢冷卻的?whitedwarf（白矮星）。隨著時(shí)間，熱輻射減少，重力的作用導(dǎo)致它收縮，而收縮又會產(chǎn)生熱。白矮星中的燃料消耗殆盡，但它仍然發(fā)出熱輻射。

如果恒星的初始質(zhì)量大于0.4個(gè)太陽的質(zhì)量，它仍然要繼續(xù)它的人生。

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

此時(shí)恒星核內(nèi)大部分是氫核聚變的產(chǎn)物——氦。坍縮帶來的溫度上升和密度減小使得恒星可以進(jìn)行進(jìn)一步的聚變——氦核聚變。

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

恒星會有一個(gè)巨大的膨脹，外層的物質(zhì)離核心越來越遠(yuǎn)，留下一個(gè)體積更大溫度更低的?red giant（紅巨星）繼續(xù)聚變更重的元素。

膨脹中恒星會把很多物質(zhì)拋向周圍，此時(shí)它是一個(gè)?planetary nebula.

恒星的核聚變中能得到的最重的元素是鐵，因?yàn)殍F原子有最大的?binding energy per nucleon.?如果要獲得更重的元素，需要其他的過程提供更多更多的能量。

如果最初的恒星的質(zhì)量在0.4-0.8個(gè)太陽的質(zhì)量之間

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.

燃料用盡后恒星會坍縮，而這一次因?yàn)橘|(zhì)量很大于是重力也很大，突然的收縮造成密度的急劇上升，它的核心會?implode.?出現(xiàn)sudden burst of energybouncing the collapse back out也就是產(chǎn)生?shockwave,?造成explode.此刻的恒星叫作?type 2 supernova.

Type 2 supernova?有兩種走向

當(dāng)恒星的質(zhì)量在8-20個(gè)太陽的質(zhì)量之間，core remnant mass（核心剩余質(zhì)量）在1.4-2.5個(gè)太陽的質(zhì)量之間時(shí)，它最后會變成?neutron star（中子星），保留了?the central core of stellar material。

當(dāng)恒星的質(zhì)量大于20個(gè)太陽的質(zhì)量，core remnant mass大于2.5個(gè)太陽的質(zhì)量時(shí)，它會變成?black hole（黑洞）。黑洞有極高的密度，引力極其大，就連光也無法逃脫它。

本文中的數(shù)值與?edx?書中稍有出入，比如說書中的中子星與黑洞是以核心剩余質(zhì)量為太陽的3倍為界限的，本文的數(shù)值會精準(zhǔn)一些。Edx?在2010年之前的某次考試中考察過這個(gè)數(shù)字，但是標(biāo)準(zhǔn)答案采用的并非書上的數(shù)值，而是本文中提到的數(shù)值，讓一群小伙伴一臉懵逼。之后從2010到2016年均未考察過數(shù)值，書中講得也不是特別詳細(xì)，如若真考到應(yīng)該本文中與書中的數(shù)值均可。

數(shù)值的考察可能不是重點(diǎn)，但是還請各位小伙伴對恒星的演變有一個(gè)清晰的概念，一個(gè)原生星通過什么樣的過程會發(fā)展成什么，一定要弄清楚。