K,為碳聚變做準備。
通過恒星結構模型計算,史蒂文森2-18的核心當前狀態:
質量:約8倍太陽質量(占總質量的40%);
密度:約10^5g\/cm3(是太陽核心密度的10倍);
溫度:約1.2億K,正處於氦聚變的穩定期。
核心的氦聚變以三重a過程為主:三個氦核(a粒子)聚變成碳核,釋放出大量能量。這個過程產生的中微子,攜帶走了核心能量的很大一部分,導致核心無法有效加熱外殼。
1.2中層:碳氧核的惰性堆積
在核心外圍,是碳氧核(C-Ocore)——氦聚變產生的碳和氧元素的堆積層。這一層的質量約為2倍太陽質量,密度高達10^6g\/cm3。
碳氧核的特殊性在於:
不參與當前聚變:碳聚變需要更高的溫度(2億K),而碳氧核的溫度尚未達到臨界點;
電子簡並壓力:由於密度極高,電子被壓縮到量子力學允許的最小空間,產生簡並壓力,支撐著這一層不被進一步壓縮;
未來的引爆器:當核心溫度達到2億K時,碳氧核將開始碳聚變,釋放出更劇烈的能量。
1.3外殼:對流與輻射的交界地帶
史蒂文森2-18的外殼結構極其複雜,呈現出對流層與輻射層交替的特征:
內殼(輻射層):距離核心約0.1-0.5太陽半徑,能量通過光子輻射傳遞,溫度從1億K降至2000萬K;
外殼(對流層):距離核心約0.5-10太陽半徑,能量通過對流傳遞,溫度從2000萬K降至3000K;
最外層(光球層):溫度約3000K,是我們觀測到的紅色表麵。
這種多層結構導致恒星的脈動不穩定:對流層的不穩定性會引發星震,表現為光度的微小變化(亮度波動約1%)。通過分析這些脈動,天文學家可以到恒星內部的。
二、質量損失:自我消瘦的臨終儀式
紅特超巨星最顯著的特征是劇烈的質量損失。史蒂文森2-18正以每100萬年損失一個太陽質量的速度,這種損失不僅改變著它的體積,也在為最終的超新星爆發做準備。
2.1星風機製:從溫和吹拂狂暴剝離
恒星的質量損失主要通過星風實現。史蒂文森2-18的星風分為兩個階段:
內層星風:來自輻射層的粒子被加熱到百萬度,以較低速度(約100公裡\/秒)逃逸;
外層星風:來自對流層的物質被劇烈擾動,以高速(約800公裡\/秒)噴射。
通過紫外光譜觀測(哈勃COS儀器),天文學家檢測到星風中包含:
氫和氦:占星風質量的90%以上;
重元素:碳、氧、氮等,占10%左右——這些是恒星內部核反應的產物。
2.2質量損失的加速度:為什麼會越來越快?
史蒂文森2-18的質量損失率並非恒定,而是呈現指數增長趨勢:
第一階段(主序星時期):年質量損失率約10^-8倍太陽質量;
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第二階段(紅超巨星初期):增至10^-7倍太陽質量;
當前階段:達到10^-6倍太陽質量——每100萬年損失一個太陽質量。
這種加速源於:
核心收縮:隨著核心氦燃料減少,引力增強,進一步壓縮碳氧核,加熱外殼;
輻射壓增強:核心聚變產生的輻射壓增大,推動外殼物質向外逃逸;
星風反饋:高速星風帶走角動量,讓恒星自轉減慢,進一步增強星風。
2.3質量損失悖論:為何體積反而增大?
直覺上,質量損失應該讓恒星收縮,但史蒂文森2-18卻在的同時。這個悖論的答案在於引力與壓力的平衡:
引力減弱:質量減少直接削弱了核心對外的引力;
壓力變化:外層物質的加熱導致壓力增加,抵消了引力減弱的影響;
對流增強:質量損失讓對流更加劇烈,將更多能量帶到表麵,導致進一步膨脹。
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