氦闪( 氦气 flash)是指在 恒星演化 过程中,中心区的氢全部烧尽或壳层的 氢燃烧 熄灭时,使氦聚变反应突然开始的现象。该过程会在极短的时间内释放出极大的能量,最终的结果是使太阳光度降低 。
中小 恒星 密度大到每个 原子 所占空间比原子本身还小时,原子壳层会受到破坏,形成了简并态的 电子 气。简并态的电子气 压强 与温度无关,但随密度增加而迅速增大。简并态的电子气 传热 性质像金属,使得氦核温度均匀,当温度上升到氦燃烧点,氦核区域都会发生反应,当核心温度达到10 8 K时,会发生氦闪 。 恒星 发生氦闪以后,氦仍可以缓慢地燃烧。恒星氦闪的发生可以不止一次,因恒星在巨星区的位置来回摇摆 。而氦燃烧壳层自身物质的产能率对温度的变化极度敏感,具有极强的热失控不稳定性,会在极短的时间内释放出极大的能量,而氦壳层的厚度太薄以至于它不可能大量吸收 辐射能 ,故此时会发生壳层的氦闪 。
赫罗图 是 恒星 光谱系和光度之间的关系图,在图上将恒星分为主星序、 伴星 、 红巨星 等几组,它揭示了 恒星演化 的规律。 太阳 在演化为红巨星时,将会吞噬 水星 和 金星 ,强劲的 太阳风 将带走大量的太阳物质,使之失去大约30%的质量,太阳对 地球 的 引力 将减弱30%左右,从而使 地球公转 轨道将比现在远离太阳 。
原因
核心氦闪
氦闪是中小恒星氦核的特殊结构引起的,这类恒星中心温度低、密度大。当密度大到每个 原子 所占的空间比原子本身还小时,原子的壳层结构就被破坏,原来围绕各自 原子核 的 电子 都挤到了一起,形成了一团被称之为简并态的电子气。简并态电子气不遵循 理想气体 的规律,其 压强 与温度无关,只随密度的增加而迅速增大。由于它有大量自由运动电子, 传热 性质很像金属,所以整个氦核具有均匀的温度。当氦核温度升高到氦燃烧点时,氦燃烧反应就会同时遍及整个氦核区域,并突然使 恒星 中心温度升高。因简并核的压强与温度无关,所以简并核并不膨胀。这样温度的增加又加快了反应 速率 。结果,温度的升高使产能率增加, 核能 的增加又使温度升高,如此循环,失去控制,就会产生氦闪现象 。 氢燃烧 主要是聚成氦( 4 He),只有极小量的 7 Li、 7 Be、 8 B。原子量再大的碳 12 C或比 12 C原子量还大的 原子核 就不会有 。
3 4 He→ 12 C
壳层氦闪
当壳层氢燃烧因背景温度低于10 7 K而熄灭时,释放能量大为减少,星体表面停止碰撞而转向收缩。由于极薄的氦燃烧壳层自身物质的产能率对温度的变化极度敏感,具有极强的热失控不稳定性,会在极短的时间内释放出极大的能量,而氦壳层的厚度太薄以至于它不可能大量吸收 辐射能 ,所以这时会发生壳层的氦闪 。
赫罗图
概念
赫罗图提出者是 赫茨普龙 (Hertzsprung)和 罗素 (Russell),该图是 恒星 光谱系和光度之间的关系图,横轴代表光谱性(或恒星的颜色、温度),纵轴代表恒星本来的高度( 绝对星等 ) 。赫罗图从左上角到右下角的 对角线 上,80%~90%的恒星都在这一条稍微扭曲的对角线及其领近区域上,这群落称为主星序,如 太阳 、牛郎、 织女 等都属于主星序。在主序的右上方有两条呈水平方向序列—巨星序和 超巨星 序,坐落于巨星序的恒星如 北极星 (小熊α)、大角(牧夫α)等都称为巨星,坐落于超巨星序的有 心宿二 (天蝎α)。在主序的右下方还有 伴星 序等。
恒星 在 赫罗图 上的位置一旦确定,就可以估算出其温度、光谱型、大致质量值、光度强弱。对于一群星,利用赫罗图可以很容易地求出他们的距离。赫罗图揭示了 恒星演化 的规律,天文学家在赫罗图上大致描绘了恒星演化的路径: 主序星 → 红巨星 → 变星 →新星( 超新星 )→致密星(白矮星或 中子星 或黑洞)→衰亡 。
水平支
恒星在发生氦闪过程中, 红巨星 阶段结束,这种恒星位于 球状星团 的赫罗图上的位置称为“水平支” 。像 太阳 这样一颗恒星,当它的半径减少,表面变得更热、更蓝时,光度将从现在的值的300倍降到50倍。在水平支阶段, 太阳系 内的温度将下降,只有红巨星阶段结束时温度的60%。
红巨星
红巨星是进入老年期的 恒星 。当主序星的氢消耗得差不多时,恒星中心会积累很多 核聚变 产生的氦,这时剩余的氢会剧烈反应并产生大量的热,导致恒星不断变大。恒星变大后表面温度会降低,看起来呈红色,所以被称为 红巨星 。恒星中心区的氢消耗 尽时,中心区域将形成一个氦中心核。由于中心区域 核反应 停止,由氢核聚变所能提供的辐射压力将无法与恒星自身的 引力 相抗衡,因此核心部分开始引力收缩,而核外的燃烧层是使整个恒星的半径增大,恒星表面温度降低,成为一个光度很大的红巨星。在 赫罗图 上, 恒星 将离开主星序,向右上方移动,到达赫罗图的红巨星区域 。
恒星 中心氦区的出现标志着恒星进入老年区,宣告着恒星开始走向衰亡。当中心氦区收缩到使其温度上升到10 8 K以上时,氦核将发生氦闪。这时,三个氦核有可能形成一个碳核,它将产生新的辐射压力,使中心区暂时停止收缩而处于一个相对稳定的时期。但恒星内积累的氦原料远少于原来的氢燃料,而其反应过程又在加速,因此,这个相对稳定期仅可维持几百万年到十亿年 。恒星在 赫罗图 上也缓慢地向左下方移动。这时 恒星 处于一种不稳定的脉动状态 。
白矮星
核能源进一步枯竭之后, 红巨星 将抛出一些气体,在周围形成云状物质,简称“ 行星 云状物”。这个阶段, 红巨星 的中心部分将塌缩,形成小而高密、高温的 白矮星 。白矮星温度高,呈白色,体积小,因而亮度小 。白矮星的内部不再有物质进行 核聚变 反应,因此缺少核聚变产生的热来抵抗 引力坍缩 ;核心不断收缩形成极端高密度的简并气体。这些简并气体依靠 电子简并压力 来支撑。 电子 简并压与白矮星强大的重力维持者平衡,来保持白矮星的稳定 。
相关推测
太阳 核心区在 引力 作用下的塌缩和核心区临近壳层的氢 核聚变 ,产生的高温高压是太阳外部壳层剧烈膨胀,从而使太阳变成一颗体积巨大,表面温度却因剧烈膨胀而下降到2600K左右、颜色偏红的 红巨星 。太阳在红巨星阶段,将吞噬 水星 和 金星 ,强劲的 太阳风 将带走大量的太阳物质,使之失去大约30%的质量。因此,太阳对 地球 的 引力 将减弱30%左右,从而使 地球公转 轨道将比现在远离太阳。氢的耗尽,太阳核心区主要成分将变成氦,随着氢壳层的不断燃烧,越来越多新生成的氦将加入到塌缩的氦核心上。当氦核心的质量达到 太阳 总质量的45%以上,温度升高到一亿度以上,还将发生氦闪,这是太阳的最后一个燃烧阶段。氦燃烧对温度敏感,核心温度有2%变化时,也会导致光度的加倍或减半。为此,太阳的光度和体积将会频繁的 脉动 ,整个氦燃烧阶段只有几千万年 。