恒星内部结构理论

理论天体物理学的一个分支

理论天体物理学的一个分支。它的主要内容是﹕研究恒星内部的物态﹐如温度﹑密度和压力等由中心至表面的分布情况﹔探讨恒星内部输送能量以及维持温度梯度的物理机制﹔确定能源和维持恒星不断辐射的核物理过程，推测恒星内部的化学成分和元素分布情况﹔根据获得的知识﹐研究恒星的演化和元素的合成。

平衡状态

恒星是相当稳定的炽热气体球结构﹐处于流体静力学平衡状态﹐寿命在几百万年到上百亿年之间。研究恒星内部结构要求解质量﹑动量和能量守恒的三个联立微分方程和一个产能的微分方程。一般取向径为自变量﹐压力﹑质量﹑光度为因变量。在恒星内部﹐能量的传输主要是由辐射或对流两种机制来完成的。当辐射温度梯度超过绝热温度梯度时﹐解能量传输问题采用对流传能的微分方程﹔情况相反时﹐则采用辐射传能的微分方程。此外﹐还用物态方程联系压力﹑温度和密度。由热核反应确定的产能率也同温度，不透明度出现在辐射转移微分方程中﹐控制传能的快慢。不透明度是温度﹑密度和化学成分的函数。建立恒星内部结构模型﹐需采用数字积分方法。通常先假定恒星质量和化学组成为已知量。数字积分可分为核心积分和包层积分两部分。核心积分从恒星中心开始﹐向外积分到某一点﹔包层积分从恒星表面开始﹐向内积分到同一点﹐并使核心积分和包层积分在交界点处镶合。即在镶合点上保证各物理量的连续性﹐在镶合过程中可以对一系列参数（如中心温度﹑中心压力﹑光度半径等）的尝试值进行调节和确定。

太阳数据

太阳是离我们最近的一颗恒星﹐它的质量﹑光度﹑半径﹑表面温度和化学成分已有较精确的数据。应用质子－质子反应和碳氮循环作为产能的机制﹐求解太阳的内部结构﹐得到太阳的中心温度为1.5×107K﹐中心密度为 160克/厘米3。所采取的原始的化学成分﹐按重量计﹐氢为0.71﹐氦为0.27﹐其他重元素为0.02。由于氢聚变为氦﹐从0.2半径的层次起氢含量从 0.71向内逐层减小﹐中心值是0.36﹐在0.2半径的球内包含总质量的60%。质子-质子反应产生总能量的90%以上。由于问题复杂﹐根据不同模型的计算结果﹐相差可达10%。

恒星内部结构

恒星内部结构主要由它的质量﹑化学成分和演化阶段（即年龄）来决定。在主星序阶段（见赫罗图）的星族I恒星的内部结构主要由质量来决定。质量大于 1.70M⊙（M⊙为太阳质量）的星﹐外部对流层（见太阳对流层）的影响可以忽略不计﹐可看作完全是辐射层﹐而中心部分有对流核心。质量在0.8～1.7M⊙范围内的恒星﹐外部有相当大的对流层﹐而中心部分的对流核心随质量的减小而减小。太阳内部从对流层底层到中心完全是辐射层。这和产能方式有关。大质量恒星的中心温度高﹐产能机制主要是碳氮循环﹐产能率和温度的高次方成正比。温度梯度高﹐导致对流﹐质量大于 2M⊙的恒星属于这种类型。质量小于0.8M⊙的恒星计算结果较少，一般认为外部的对流层向内深入。对于0.64M⊙的恒星﹐外部对流层厚度可达半径的1/3﹔对于0.08～0.27M⊙的星﹐对流层可以一直延伸到中心。恒星内部结构和它的中心温度﹑密度和化学成分决定恒星中以哪种热核反应起主导作用﹐而一旦新的热核反应发生﹐又转而影响﹑甚至决定恒星的结构和演化。此外﹐还可以就不同元素氢﹑氦﹑碳﹑氧等燃烧阶段来讨论恒星的内部结构。

恒星内部结构理论能说明赫罗图上恒星的分布和演化以及元素的合成和演化﹐还可以阐明各种星团赫罗图的意义﹐确定它们的年龄和距离﹐对于了解恒星的本质和演化﹐有很大作用。不过﹐恒星内部结构理论也有某些不足之处。由于问题的复杂性﹐在理论和计算上都不得不采取一些近似和简化方法﹐因而结果往往不够精确。

参考书目

L. H. Aller and D. B. Mclaughlin eds﹐Stellar Structure﹐Univ.of Chicago Press﹐Chicago﹐1965.

M. Schwarzschild﹐ Structure and Evolution of the Stars﹐Princeton Univ.Press﹐Princeton﹐1958.

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