恒星物理

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第456页（3718字）

恒星是宇宙中最多的一种天体，仅银河系大约就有10¹¹颗，而宇宙中像银河系这样的星系有成千上万个，它们都主要是由恒星组成。

宇宙中的物质绝大部分集中在恒星里。恒星是高温灼热的气体球，它们的内部温度可高达几千万度，密度很高，能够产生能量而向外发出电磁辐射。

恒星物理是以恒星世界为其研究对象，是运用现代物理学的知识，以观测事实为基础，研究恒星内部和表面的各种物理状态、产能机理、化学组成、运动规律，并进而探讨恒星的形成和演化的一门学科。

恒星物理的发展已有100多年的历史，经过艰苦观测和理论探索，人们发现恒星的种类繁多，已经知道的有比太阳直径大几百倍的巨星和超巨星，有和地球大小相仿而密度极高的白矮星，有双星，变星，以及有大量物质损失或爆发现象、或发出X射线，Y射线的各类特殊恒星。

近代恒星物理的高速发展阶段大约开始于1960年前后。由于原子物理和量子力学迅速发展，大型电子计算机在天体物理中开始广泛应用，特别是由于实测恒星物理已积累了大量丰富资料，发现了赫罗图、以及恒星在赫罗图中分布的许多规律和其它许多经验规律，使得理论恒星物理产生一个迅猛的发展，1960～1975年的10多年时间内就已建立起一个初步完整的恒星结构和演化理论，它是以研究恒星内部的物理结构、物理过程和演化规律为内容。

它可以说明恒星如何形成，演化到死亡，能够说明天空中各类不同恒星和现象是不同质量的恒星在不同演化阶段的天体和现象，可以解释赫罗图中各种恒星分布的规律和其它观测得到的经验规律。同时又建立起一个初步完整的恒星大气理论，它是以研究恒星表面大气层的物理状态、化学组成以及辐射转移的规律为内容，它可以解释各类恒星的光谱特性。

此外，还建立起一个初步完整的恒星振动理论，它是以研究恒星内部动力学非稳定性、辐射能如何转变为机械能从而产生径向的和非径向的振动，以及振动的性质为内容，它可经解释各种变星的脉动。

1975年以后，由于天文观测技术的迅速发展，特别是各种不同波段的天文卫星的发射，大型光学和射电望远镜的使用，以及高灵敏高效率电子接受设备的应用，使实测恒星物理进一步发现了许多过去没有探测到的现象和天体。例如发现了大质量星和红巨星有强大的星风物质损失；发现有X－射线发射或X射线爆发的天体是含有一颗致密天体(白矮星或中子星)的双星系统，并且在致密天体的周围有一个物质吸积盘；发现有不少恒星，包括太阳在内有非径向振动现象；发现接近巨星分支的恒星(简称AGB星)有强烈星风和振动现象，同时在大气层内出现了比铁还重的元素(称为S－过程元素)；发现一些温度和质量与太阳相近的恒星，表面大气层也有黑子、耀斑等现象等等。实测恒星物理众多的发现，其中很多都是原来的恒星结构和演化理论，恒星大气理论和恒星振动理论无法解释或相矛盾的。

因此，从1975年到现在，又使理论恒星物理十分活跃和发展。目前已经取得进展的有：(1)原来的恒星结构和演化理论是建立在假设恒星总质量守恒的基础上，这10多年人们对大质量星有星风物质损失的结构和演化进行了研究并取得重要进展，不仅基本上可以解释观测到的大质量恒星的赫罗图，而且还证实了温度高、光度高和星风强烈的沃尔夫－拉叶型星是大质量恒星有星风物质损失将其外壳丢失而暴露出来的星核(C．Chiosi，1986)。

(2)原来的双星演化理论是建立在假设总质量和总角动量守恒基础上的，近年来通过对双星中物质损失的机理，以及物质损失与角动量损失的关系的研究，发展了非守恒双星演化理论，它能够解释X射线双星、灾变双星、沃尔夫一拉叶双星等一些激烈活动双星的演化形成(R．Q．Huang，1990)。

(3)在热核反应理论方面，原来的恒星结构和演化理论中认为恒星内部在氢燃烧阶段只需考虑氢和氦元素丰度的变化和对产能率的贡献，在氦燃烧阶段只需考虑⁴He，¹²C，¹⁶O等元素丰度的变化和对产能率的贡献，但是通过对沃尔夫－拉叶型星和AGB星的光谱分析，人们认识到，在氢燃烧阶段还必须考虑3He，C，N，O等元素丰度的变化和对产能率的贡献，在氦燃烧阶段还必须考虑^12，13C，¹⁴N，¹⁸O，²²Ne，^25，26Mg等元素丰度的变化和作用，特别是在反应过程中产生中子源的作用。

此外，最近的核物理实验证明，¹²C(α，γ)¹⁶O反应的速率比原来的速率应该增大3～5倍。热核反应理论方面的这些进展，不仅解释了沃尔夫－拉叶星和AGB星表面出现的元素丰度，而且对恒星结构和演化性质，特别对后期的演化性质有重要的影响(W．D．Arbett，1985)。(4)原来的恒星振动理论是建立在流体力学基础上，其基本假设是认为气体和辐射场无论何时都可看作同一个热力学系统，因而有同一的温度和热力学参数。近年来人们认识到，当恒星内部发生快速振动的情况下，这个基本假设是不正确的，因而建立了以辐射流体动力学为基础的新的恒星振动理论，将气体和辐射场看作两个热力学系统，可以有不同的温度。

新的恒星振动理论对于解释一些恒星振动的性质方面得到了比原来理论更符合于观测实际的结果(Y．Lie，1992)。(5)吸积盘理论发展十分迅速，人们认识到物质吸积是天体物理中一种更高效率的释能机制，因此吸积盘理论已经不仅仅用在双星演化理论中，而且已在星系物理学中用来解释活动星系核极高能源(J．Frank，1985)。

(6)对恒星结构和振动性质有重要影响的对流理论，过去是以局地混合程理论为基础，然而局地混合程理论对于对流过程的处理仅仅是一种唯象的处理，十分不严格。近年来发展了各种非局地的对流理论，并且证明对恒星的结构和演化、恒星的振动性质有重要的影响(N．H．Baker，1987)。

(7)恒星物质的不透明度和物态方程对于恒星结构和振动性质有重大影响。近年来人们认识到重元素特别是铁元素对不透明度的贡献十分重要。在物态方程的研究中，人们认识到压强电离效应和非理想效应的考虑十分重要，而物态方程对不透明度，及产能率的影响又很明显。由于这些进展，使得长期存在的太阳中微子问题、仙王座β星振动机制问题基本上得到解释(C．A．Iglesias，1991；D．G．Hummer，1988；D．Mihalas，1988和W．Dappen，1988)。

理论恒星物理取得了一些进展，但是至今仍然还有许多问题没有得到满意的解决，它们可能成为未来恒星物理主要热门的研究课题，这些问题有：关于星风的机制，特别是晚型温度较低的红巨星的星风机制；关于红巨星例如Mira星以及AGB星的振动机制；关于相接双星中的物理过程如能量交换、物质的运动及演化的性质；关于一些O，B型星突然产生气壳的机理；目前有多种非局地对流理论，并且得到的超射的程度很不相同；类太阳恒星表面大气层中产生大面积黑子、耀斑等活动现象的机理等等。

。

【参考文献】：

1 Arbett W D. Thielemann F-K,Ap J, 1985,295:589

2 Frank J, King A R, Raine D J. Accretion Power in AstroPhysics. Cambridge University Press, 1985

3 Chiosi C,Maeder A. Ann Rv Astrophys,1986,24:329

4 Baker N H. Physical Processes in Comets, Stars and Actve Galaxies, Berlin Springer-Verlag ,1987

5 Dappen W,Mihalas D,Hummer D G. Ap J,1988,332:261

6 Hummer D G, Mihalas D. Ap J, 1988,331:794

7 Mihalas D,Dappen W,Hummer D G. Ap J,1988,331:815

8 Huang R Q,Taam R E. A Ap,1990,236:107

9 Igeesias G A.Rogers F J. Ap J,1991,371:173

10 Lie Y A. Ap,1992,257:133

(云南天文台黄润乾研究员撰)