第303章 恒星按演化阶段（2/2）

代表：蟹状星云脉冲星（psr b0531+21）、psr j0348+0432。

形成条件：

大质量恒星（8–30 m☉）超新星爆发后，核心坍缩至中子简并态。

极端性质：

直径约10–20公里，质量1.4–3 m☉，密度堪比原子核。

快速自转（毫秒脉冲星）、强磁场（磁星可释放γ射线暴）。

中子星是宇宙中极端致密的天体，主要由中子简并压力支撑，其分类方式多样，涵盖了不同的物理特性、演化阶段和观测特征。以下是中子星的全部类型及其详细说明：

一、按形成机制分类

1. 普通中子星（standard neutron star）

形成来源：核心坍缩超新星（ii型、ib\/ic型）

质量范围：1.4–2.5 m☉（钱德拉塞卡极限以上）

半径：~10–12 km

特征：主要由中子简并物质构成，可能存在夸克物质核心

2. 超新星遗迹中子星（ns in snr）

形成：超新星爆发后残余的中子星，仍被激波壳包围

典型代表：

蟹星云中子星（psr b0531+21）

船帆座脉冲星（psr b0）

3. 双星系统中子星（binary neutron star, bns）

形成：双星系统中的恒星先后坍缩形成双中子星系统

典型代表：

psr j0（首个双脉冲星系统）

gw（引力波事件，合并后形成千新星）

二、按辐射特性分类（脉冲星 vs. 非脉冲星）

1. 脉冲星（pulsar, psr）

定义：高速自转、磁极辐射束扫过地球的中子星

自转周期：毫秒脉冲星（1–10 ms）到普通脉冲星（0.1–10 s）

分类：

普通脉冲星（normal pulsar）：周期＞30 ms，磁场~1012 g

毫秒脉冲星（millisecond pulsar, msp）：

自转极快（＜10 ms），低磁场（~10?–10? g）

由吸积物质加速形成（“回收脉冲星”）

磁星（maar）：

超强磁场（＞101? g），爆发软γ\/x射线

子类：

sgr（soft gamma repeater）：软γ射线重复暴

axp（anomalous xray pulsar）：反常x射线脉冲星

2. 非脉冲中子星（quiet neutron star）

定义：辐射束未指向地球，或已停止脉冲辐射

类型：

暗中子星：如超新星遗迹中的“失踪中子星”

x射线暗淡中子星（xdins）：仅微弱热辐射

中央致密天体o）：超新星遗迹中的低磁场中子星

三、按磁场强度分类

类型 磁场强度（g） 典型特征

普通中子星 1012–1013 普通脉冲星

毫秒脉冲星 10?–10? 快速自转，低磁场

磁星（maar） ＞101? 软γ\/x射线暴，自转减速极快

o（低磁场ns） ＜1011 超新星遗迹中无脉冲的暗中子星

四、按物质状态分类（理论模型）

1. 标准中子星（npe物质）

组成：中子（n）、质子（p）、电子（e?）简并气体

核心可能结构：超流中子、超导质子

2. 奇异星（exotic neutron star）

理论模型：

夸克星（quark star）：核心由自由夸克组成

超子星（hyperon star）：含奇异夸克（s夸克）

玻色爱因斯坦凝聚星（qstar）：假设的玻色子凝聚态

五、特殊中子星类型

1. 暂现x射线脉冲星（transient xray pulsar）

特征：间歇性吸积伴星物质，爆发x射线

示例：a0535+26（be\/x射线双星）

2. 黑寡妇脉冲星（ck widow pulsar）

定义：毫秒脉冲星通过辐射蒸发伴星

示例：psr b1957+20（伴星质量仅0.02 m☉）

3. 红背蜘蛛脉冲星（redback pulsar）

定义：毫秒脉冲星吸积伴星物质，形成x射线双星

示例：psr j1023+0038（状态切换：射电\/x射线模式）

4. 回旋共振线中子星（crsf neutron star）

特征：x射线光谱显示电子回旋吸收线，用于测量磁场

示例：her x1（磁场~4x1012 g）

5. 光速表面中子星（photon sphere neutron star）

理论极限：接近最大自转速度（~24%光速，周期＜1 ms）

可能代表：grb a的残余致密天体

六、中子星的最终命运

演化路径 结果

孤立中子星冷却 黑矮星（需103?年以上）

双星合并（bns） 千新星→黑洞或超重中子星

吸积导致质量增长 坍缩为黑洞（＞3 m☉）

七、中子星的宇宙意义

引力波源：双中子星合并（如gw）

元素工厂：千新星产生金、铂等重元素

极端物理实验室：测试广义相对论、量子色动力学

从普通脉冲星到极端磁星，中子星以惊人的密度和极端物理条件，成为宇宙中最神秘的天体之一。

5. 黑洞（时空终结者）

代表：天鹅座x1（恒星级黑洞）、m87中心超大质量黑洞。

形成途径：

恒星级黑洞：大质量恒星（＞30 m☉）超新星后核心坍缩超过奥本海默极限（~3 m☉）。

超大质量黑洞（百万至百亿m☉）：通过合并或吸积形成于星系中心。

特征：

事件视界内引力逃逸速度超光速，霍金辐射理论预言其缓慢蒸发。

黑洞是宇宙中引力强大到连光也无法逃脱的天体，根据其形成机制、质量范围和物理特性，可分为以下全部类型：

一、按质量分类

1. 恒星级黑洞（stermass ck hole）

质量范围：3–100 m☉

形成方式：大质量恒星（＞20 m☉）核心坍缩超新星（ii型\/ib\/ic）

特征：

引力波主要来源（如gw，36+29 m☉双黑洞合并）

可存在于x射线双星中（如天鹅座x1，21 m☉）

2. 中等质量黑洞（intermediatemass ck hole, imbh）

质量范围：100–10? m☉

形成理论：

恒星级黑洞多次并合

早期宇宙直接坍缩（低金属星团）

观测证据：

hlx1（约20,000 m☉）

引力波事件gw（142+85 m☉合并产物）

3. 超大质量黑洞（supermassive ck hole, smbh）

质量范围：10?–101? m☉

位置：星系中心（如银河系人马座a，4.3x10? m☉）

形成假说：

早期种子黑洞吸积

暗物质晕直接坍缩

活动星系核（agn）：

类星体（如3c 273）

耀变体（喷流指向地球）

4. 微黑洞（primordial ck hole, pbh）

质量范围：＜1 m☉（理论存在）

形成理论：宇宙早期密度涨落直接坍缩

科学意义：

暗物质候选者之一

霍金辐射探测目标（尚未证实）

二、按物理特性分类

1. 克尔黑洞（kerr ck hole）

定义：旋转黑洞（角动量≠0）

结构：

事件视界 + 能层（ergosphere）（可提取能量）

内视界（cauchy horizon）存在奇环

宇宙占比：几乎所有真实黑洞均为克尔黑洞

2. 史瓦西黑洞（schwarzschild ck hole）

定义：静态无电荷黑洞（理想模型）

结构：单一事件视界（半径=2gm\/c2）

现实意义：仅近似描述非旋转黑洞

3. 带电黑洞（reissnernordstr?m\/kerrnewman）

定义：带电荷的黑洞（q≠0）

特征：

双重视界（q过大时视界消失→裸奇点）

宇宙中极罕见（物质电荷通常中和）

三、特殊类型黑洞

1. 双星\/合并黑洞

观测方式：

引力波（ligo\/virgo探测）

x射线双星吸积盘（如天鹅座x1）

2. 裸奇点（naked singrity）

定义：无事件视界的奇点（违反宇宙监督假说）

理论可能：极端电荷或角动量导致

3. 引力真空星（gravastar）

假想替代模型：

内部为暗能量真空，外壳为玻色爱因斯坦凝聚态

与黑洞区别：无事件视界和奇点

4. 全息黑洞（holographic ck hole）

弦论衍生模型：

信息储存在二维表面（ads\/cft对偶）

解决信息悖论

四、黑洞演化与命运

阶段 过程 时间尺度

形成 超新星坍缩\/直接坍缩 秒级–百万年

吸积增长 吸积盘辐射（eddington极限） 数亿年

霍金辐射 量子蒸发（仅微黑洞显着） ＞10??年（1 m☉黑洞）

最终消亡 完全蒸发（理论） 101??年（smbh）

五、黑洞的宇宙学意义

星系演化：smbh调控星系恒星形成（如mσ关系）

时空探测：事件视界望远镜（eht）成像（m87阴影）

量子引力：奇点问题推动弦论\/圈量子引力研究

从恒星级黑洞的狂暴合并到smbh的宇宙级统治，黑洞以极端物理条件成为检验广义相对论与量子理论的终极实验室。

演化路径总结

初始质量 演化序列 最终归宿

＜0.5 m☉（红矮星） 主序星 → 直接冷却 黑矮星（未观测到）

0.5–8 m☉（太阳类） 主序星 → 红巨星 → 行星状星云 白矮星

8–30 m☉ 主序星 → 红超巨星 → 超新星 ii型 中子星或黑洞

＞30 m☉ 主序星 → 超巨星 → 超新星\/直接坍缩 黑洞

关键点

质量决定命运：恒星的一生是引力与核聚变对抗的历程，初始质量锁定其结局。

宇宙回收站：超新星爆发抛洒重元素（金、铀等），为行星和生命提供原材料。

极端实验室：中子星和黑洞是检验广义相对论和量子力学的天然实验场。

恒星演化的故事，从主序星的稳定到黑洞的神秘，展现了宇宙从创造到毁灭的永恒循环。

恒星的演化阶段因其初始质量不同而呈现显着差异。以下是按质量分类的恒星完整演化序列，涵盖从诞生到终结的全过程：

一、低质量恒星（0.08 m☉ ≤ m ＜ 0.5 m☉）

演化路径：

1. 分子云坍缩 → 原恒星（premainsequence）

引力收缩，中心温度不足氢燃烧（＜300万k）

2. 红矮星（main sequence, m型）

核心氢燃烧（质子质子链反应，寿命达万亿年）

特征：表面温度2,5003,500 k，光度＜1% l☉

3. 直接冷却为氦白矮星

因质量过低无法触发氦闪，缓慢流失外层

最终产物：冷氦白矮星（无红巨星阶段）

二、中小质量恒星（0.5 m☉ ≤ m ≤ 8 m☉）

演化路径：

1. 主序星（main sequence, g\/k型）

核心氢燃烧（小质量：pp链；＞1.5 m☉o循环）

示例：太阳（g2v，寿命约100亿年）

2. 亚巨星（subgiant branch）

核心氢耗尽，氢壳层燃烧，半径膨胀

3. 红巨星（red giant branch, rgb）

惰性氦核+氢壳层燃烧（如大角星）

半径达 r☉，光度 l☉

4. 氦闪（helium sh）

核心温度突升至1亿k，氦剧烈点燃（质量＜2.2 m☉）

5. 水平分支（horizontal branch）

稳定氦燃烧（→碳氧），氢壳层仍活跃

6. 渐近巨星分支（asymptotic giant branch, agb）

双壳层燃烧（氢+氦交替），超强星风

形成行星状星云（如环状星云m57）

7. 白矮星+行星状星云

核心坍缩为碳氧白矮星（质量＜1.1 m☉）

三、中等质量恒星（8 m☉ ＜ m ≤ 10.5 m☉）

演化路径：

1. 主序星（o\/b型）

快o循环，寿命仅数千万年

2. 超红巨星（supergiant phase）

核心逐层燃烧：氢→氦→碳→氧→氖→镁

3. 电子俘获超新星（ecsn）

氧氖镁核心电子俘获引发坍缩

4. 中子星（部分可能形成低质量黑洞）

四、大质量恒星（m ＞ 10.5 m☉）

演化路径：

1. 主序星（o型）

表面温度＞30,000 k，光度＞10? l☉

2. 蓝\/黄超巨星（blue\/yellow supergiant）

核心聚变至硅（经历碳爆燃等剧烈核反应）

3. 铁核坍缩超新星sn, ii型\/ib\/ic）

铁核达钱德拉塞卡极限（1.4 m☉）后坍缩

4. 致密残骸：

中子星（1.42.5 m☉）或 黑洞（＞3 m☉）

可能伴随γ射线暴（grb）

五、特殊演化路径

1. 双星系统恒星

案例1：吸积导致质量转移（如ia型超新星前身）

案例2：蓝离散星（blue stragglers）——并合或吸积延长主序寿命

2. 超低金属星（poption iii）

第一代恒星（纯氢氦）：

质量极大（＞100 m☉），直接坍缩为黑洞

3. 沃尔夫拉叶星（wolfrayet, wr）

大质量恒星剥离外层（质量流失＞10?? m☉\/年）

最终命运：ic型超新星或直接坍缩黑洞

恒星演化终极产物对比

初始质量 最终残骸 特征事件

＜0.08 m☉ 褐矮星 未达氢燃烧

0.080.5 m☉ 氦白矮星 无红巨星阶段

0.58 m☉ 碳氧白矮星 行星状星云抛射

810.5 m☉ 中子星（少数黑洞） 电子俘获超新星

＞10.5 m☉ 黑洞\/中子星 铁核坍缩超新星、grb

宇宙学意义

化学演化：红巨星和超新星合成碳、氧、铁等元素

引力波源：双中子星\/黑洞并合（如gw）

暗物质线索：中子星内部可能隐藏奇异夸克物质

从红矮星的漫长寿命到超新星的瞬间辉煌，恒星演化谱写了宇宙物质循环的史诗。