天体物理学南京大学课件2

null第二章 太阳与恒星的结构 第二章 太阳与恒星的结构 §2.1 太阳的物理性质 §2.2 太阳与恒星的能源 §2.3 太阳内部 §2.4 标准太阳模型 §2.5 太阳大气 §2.6 太阳的活动§2.1太阳的物理性质§2.1太阳的物理性质基本数据基本数据质量 1.99×1030 kg = 332,000 M⊕ 半径 6.96×105 km = 109 R⊕ 角直径 32.5′ 密度 150 – 1.4 – 10-7 gcm-3 转动周期 25.4 [e] – 34.4 [p] days 温度 1.5×107 – 5800 – 107 K 光度 3.86×1033 ergs-1 太阳的化学组成太阳的化学组成整体结构整体结构核心区 辐射区 对流区 光球 色球 过渡区 日冕§2.2 太阳与恒星的能源 §2.2 太阳与恒星的能源 1. 太阳的能源 L⊙≈3.8×1033 ergs-1, τ⊙≈5×109 yr 可能的能源： (1) 化学反应：2H + O → H2O + E τ ≤30 yr (2) 引力收缩(Kelvin and Helmholtz) ： 辐射→压力↘→收缩→温度↗→辐射 τ ~ (GM⊙2/R⊙L⊙) ~107 yrLord Kelvin (1824-1907)热核聚变反应热核聚变反应核子1 + 核子2 核子3 + 能量 质量亏损 核子1 + 核子2质量 > 核子3质量 热核聚变反应要求粒子处于高温高密状态Sir Arthur S. Eddington (1882 - 1944) 热核反应原理热核反应原理Einstein质量-能量关系：E＝mc2 原子核结合能：Q＝[( Zmp＋Nmn )－m (Z, N)] c2 /A Z—核电荷数（原子序数），N —中子数 A＝Z＋N 原子量 Fe元素具有最大的结合能 结合能较小的原子核聚变成结合能较大的原子核会释放能量。2. H燃烧2. H燃烧4 1H → 4He + E E＝(4mH－mHe) c2≈(4×1.67×10-24－6.644×10-24) × c2 ≈4×10-5 erg 燃烧效率η≈0.7%null(1) 质子-质子链 (pp chain) 8×106 K ＜ T ＜ 2×107 K, M ＜ 1.5M⊙ ppI: ① 1H + 1H → 2H + e+ +νe ② 2H + 1H → 3He +γ ③ 3He + 3He → 4He + 2 1Hnull(2) 碳氮氧循环 (CNO cycle) T＞2×107 K, M＞1.5M⊙ ① 12C + 1H → 13N +γ ② 13N → 13C + e+ +νe ③ 13C + 1H → 14N +γ ④ 14N + 1H → 15O +γ ⑤ 15O → 15N + e+ +νe ⑥ 15N + 1H → 12C + 4He质子-质子链与碳氮氧循环核反应的比较质子-质子链与碳氮氧循环核反应的比较恒星内部的流体静力学平衡恒星内部的流体静力学平衡恒星内部的核反应速率对温度十分敏感， ε∝T4 (PP), T17 (CNO) 恒星如何维持稳定的核燃烧过程？ 恒星是稳定的气体球，其内部任意一点必须维持流体静力学平衡。 （向内的）重力 （向外的）压力差 T ↑→ε ↑→ P ↑→ R ↑ → T ↓恒星内部的流体静力学平衡恒星内部的流体静力学平衡越往恒星内部，重力越强。 恒星的内部压强自外向内逐渐增强。 恒星的温度自外向内逐渐升高。 太阳核心的温度由此可以估计为1500万度，足以维持H的热核聚变反应的进行。3. 比H更重的元素的燃烧3. 比H更重的元素的燃烧He燃烧 (3α反应) T＞108 K 3 4He → 12C +γ ① 4He + 4He ↔ 8Be ② 8Be + 4He → 12C +γnull 碳燃烧 T＞6×108 K 12C + 12C → 24Mg +γ → 23Na + p → 20Ne + 4He → 23Mg + n → 16O + 2 4He 氧燃烧 T＞1.5×109 K 12O + 12O → 32S +γ → 31P + p → 28Si + 4He → 31S + n → 24Mg + 2 4He 硅燃烧 T＞1.5×109 K 28Si + 28Si → 56Ni +γ 56Ni → 56Fe + 2e+ + 2νe 当恒星内部形成Fe后，由于Fe的聚变反应吸热而不是放热，恒星内部的热核反应由此停止。当恒星内部形成Fe后，由于Fe的聚变反应吸热而不是放热，恒星内部的热核反应由此停止。太阳中微子问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 (The Solar Neutrino Problem) 太阳中微子问题 (The Solar Neutrino Problem) 中微子是一种不带电、质量极小的亚原子粒子，它几乎不与任何物质发生相互作用。 太阳内部H核聚变释放能量的5%被中微子携带向外传输，每秒大约有1015个中微子穿过我们的身体。 目前接收到的太阳的辐射（光子）实际上产生于~105-107年前的太阳内部，而中微子则是在当时产生的。 光子在太阳内部的无规行走(random walk)光子在太阳内部的无规行走(random walk)Spectrum of Solar NeutrinosSpectrum of Solar NeutrinosWater太阳中微子的产生太阳中微子的产生H + H  D + positron + neutrino H + H + electron  D + neutrino D + H  He3 + gamma ray He3 + He3  H + H + He4 He3 + He4  Be7 + gamma ray Be7 + positron  Li7 + neutrino Li7 + H  He4 + He4 Be7 + H  B8 + gamma ray B8  Be8* + positron + neutrino Be8*  He4 + He4 太阳中微子的探测太阳中微子的探测 原理 (1) 中微子与C2Cl4相互作用 37Cl +ν→ 37Ar + e (2) 37Ar俘获内壳层电子 37Ar + e →37Cl +ν (3) 37Cl退激发释放光子 Homestake金矿中微子实验室null1.6 kmC2Cl4中微子探测器宇宙线100,000 gal. tank金矿太阳中微子探测器太阳中微子探测器Sudbury Neutrino Observotary (SNO) in Canada Super-Kamiokande Neutrino Observotary in Japan太阳中微子失踪案太阳中微子失踪案实际测量到的太阳中微子数目只有理论计算值的约2/3。 可能的原因： 太阳内部结构与成分与太阳标准模型差异 中微子物理——中微子振荡 电子中微子、μ中微子和τ中微子。揭示中微子失踪之谜 Measurement of the rate of νe + dp + p + e－ Q.R. Ahmad et al. (178 persons)揭示中微子失踪之谜 Measurement of the rate of νe + dp + p + e－ Q.R. Ahmad et al. (178 persons)2001年，SNO的观测结果证实中微子事实上没有失踪，只是在离开太阳后转化成μ中微子和τ中微子，躲过了此前的探测，这间接证明中微子具有质量。Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the SNO Q.R. Ahmad et al. (2002)Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the SNO Q.R. Ahmad et al. (2002)The number of electron-neutrinos observed is only about one third of the total number reaching the Earth. This shows unambiguously that electron-neutrinos emitted by the Sun have changed to muon- or tau-neutrinos before they reach Earth. §2.3 太阳内部 §2.3 太阳内部 热平衡 能量传输的三种形式：辐射、传导与对流。 太阳核心区产生的能量主要通过辐射与对流向外传递。 null辐射 (radiation) 辐射传热：恒星内部的冷物质通过吸收热区的光子而加热。 辐射平衡：如果恒星内部产生的能量全部由辐射向外传递，则称恒星处于辐射平衡。 辐射平衡下的温度梯度为： 其中κ 为不透明度系数。null 不透明度来源： 电子束缚-束缚跃迁（原子吸收线） 电子束缚-自由跃迁（光致电离） 电子自由-自由跃迁 （轫致辐射） 不透明度对恒星结构的影响 κ↓→dL↑→Tc↓→P↓→R↓→ κ↑ κ↑→Tc↑→P↑→R↑→ κ↓null对流 (convection)：气体在冷热区域之间的大规模的循环流动 产生对流的物理条件 随着恒星内部的不透明度或产能率增大，辐射温度梯度值增大，辐射不再是传递能量的有效方式，或辐射平衡是不稳定的，这时在恒星内部产生对流。 对流传热的物理过程 热气体膨胀上升，冷却后下沉，形成物质流动的循环和热量的传递。 对流不仅传递能量，还起着混合物质的作用。 对流平衡下的温度 γ—绝热指数2. 恒星中的辐射和对流区 2. 恒星中的辐射和对流区 判据 辐射区 | dT/dr (rad) | < | dT/dr (conv)| 对流区 | dT/dr (rad) | > | dT/dr (conv)| 由辐射平衡下的温度梯度知对流区出现的条件： 温度低或产能率高。(1) 低质量主序星 ( M < 1.5-2 M⊙)(1) 低质量主序星 ( M < 1.5-2 M⊙)辐射区 ＋ 对流包层 核心区ε~ T4 → 能量产生于较大的内核 包层：T↓→ κ↑太阳内部的辐射与对流区太阳内部的辐射与对流区(2) 大质量主序星 ( M >1.5-2 M⊙)(2) 大质量主序星 ( M >1.5-2 M⊙) 对流区 ＋ 辐射包层 核心区ε~ T17 → 能量产生于很小的内核区（对10 M⊙恒星，50%的能量产生于包含2%质量的体积内）。(3) 极低质量主序星 ( M < 0.8 M⊙)(3) 极低质量主序星 ( M < 0.8 M⊙)低温 整体对流3. 物态3. 物态气体内部的总压强主要由两部分组成： 气体粒子运动产生的气体压强和光子产生的辐射压强 P＝Pg ＋ Prad 非简并气体 (non-degenerate gas) 理想气体状态方程 Pg＝nkT＝ρkT/μmH 其中μ: 平均分子量 ，mH : H原子质量 对完全电离等离子体： Pg＝ρkT (2X＋3Y/4＋Z/2 ) /mH 辐射压Prad＝aT4/3null简并气体 (degenerate gas) (1) 电子简并条件：高密、低温。 (2) 电子简并压的物理成因 ： Pauli不相容原理：电子不可能占据两个相同的能态 Heisenberg测不准原理 △X△PX＞h (3) 电子简并压 非相对论性电子（v<