恆星結構

恆星結構

恆星以不同的方法將不同的層次的熱量向上層並向外轉移,主要是以對流和輻射轉移,但是在白矮星熱傳導卻非常重要。

​簡介

質量和年齡不同的恆星,有著不同的內部結構恆星結構模型敘述恆星的詳細結構,要能預測詳細的光度、分類和演化。

能量轉移

在溫度梯度足夠時,對流是能量轉移的主導方式,氣體在一個特定的小包內,如果經由絕熱過程輕微的上升,它便會在恆星內持續的上升。在這種情況下,如果它比周圍的環境稍為溫暖一些,上升中的小包是有浮力的,並且會繼續上升;如果上升中的小包比周圍的氣體冷,它將會落回它原來的高度。在溫度梯度較低和透明度低的區域,能量將通過輻射來轉移,而輻射成為能量轉移的主導。

主序星內部的結構取決于恆星的質量。

質量與太陽相近的恆星(0.3–1.5太陽質量),包括太陽,不需要太大的溫度梯度,氫轉換成氦的融合主要通過質子-質子鏈進行。因此,內部的能量轉移輻射為主導。質量與太陽相近的恆星,在外圍的部份溫度夠低,因此氫呈現中性,對紫外光是不透明的,所以對流成為主導。因此,質量與太陽相近的恆星有著輻射的核心,在外圍則是對流的殼層。

質量稍大的恆星(質量大于1.5太陽質量),核心的溫度大約超過(1.8×10^7)K,所以氫融合成氦的過程主要是碳氮氧迴圈。在碳氮氧迴圈,能量孳生率是溫度的15次方,而質子-質子鏈的孳生率隻是溫度的4次方。由于碳氮氧迴圈對溫度的高度敏感,在恆星內部的溫度梯度已經足以在核心造成對流。在恆星的外圍部份,溫度梯度更低,但溫度足夠高到使得氫幾乎完全都被電離,所以恆星仍然以紫外線的形式輻射出能量。所以大質量的恆星外面是輻射的殼層。

載主序帶上值量最低的恆星沒有輻射層,主導能量傳輸的機製是對流。巨星也幾乎全都是對流。

恆星結構方程式

恆星內部結構主要由它的質量﹑化學成分和演化階段(即年齡)來決定。在主星序階段(見赫羅圖)的星族I恆星的內部結構主要由質量來決定。質量大于 1.70M )(太陽質量)的星﹐外部對流層(見太陽對流層)的影響可以忽略不計﹐可看作完全是輻射層﹐而中心部分有對流核心。質量在0.8~1.7M )範圍內的恆星﹐外部有相當大的對流層﹐而中心部分的對流核心隨質量的減小而減小。太陽內部從對流層底層到中心完全是輻射層。這和產能方式有關。大質量恆星的中心溫度高﹐產能機製主要是碳氮迴圈﹐產能率和溫度的高次方成正比。溫度梯度高﹐導致對流﹐質量大于 2M )的恆星屬于這種類型。質量小于0.8M )的恆星計算結果較侃o一般認為外部的對流層向內深入。對于0.64M )的恆星﹐外部對流層厚度可達半徑的1/3﹔對于0.08~0.27M )的星﹐對流層可以一直延伸到中心。恆星內部結構和它的中心溫度﹑密度和化學成分決定恆星中以哪種熱核反應起主導作用﹐而一旦新的熱核反應發生﹐又轉而影響﹑甚至決定恆星的結構和演化。此外﹐還可以就不同元素氫﹑氦﹑碳﹑氧等燃燒階段來討論恆星的內部結構。 恆星內部結構理論能說明赫羅圖上恆星的分布和演化以及元素的合成和演化﹐還可以闡明各種星團赫羅圖的意義﹐確定它們的年齡和距離﹐對于了解恆星的本質和演化﹐有很大作用。不過﹐恆星內部結構理論也有某些不足之處。由于問題的復雜性﹐在理論和計算上都不得不採取一些近似和簡化方法﹐因而結果往往不夠精確。

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