AGB星的結(jié)構(gòu)及演化

　　摘 要： AGB星是漸近巨星分支，具有H—He雙燃燒殼層，其內(nèi)部會發(fā)生熱脈沖過程和第三次挖掘，由于中子輻照發(fā)生核合成，是S—過程核素的主要產(chǎn)地。本文對AGB星的結(jié)構(gòu)及演化進行了分析。
　　關(guān)鍵詞： AGB星 結(jié)構(gòu) 熱脈沖 第三次挖掘 核合成模型
　　
　　1. AGB星
　　丹麥天文學(xué)家赫茨普龍以恒星的光度為縱坐標(biāo)，以溫度為橫坐標(biāo)，對大量的恒星作了統(tǒng)計并畫出一張圖，該圖可以解讀恒星的許多信息。美國天文學(xué)家羅素經(jīng)過研究也獨立地畫出了恒星的光度和光譜型之間的關(guān)系圖。人們經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)他們兩人的圖是一樣的內(nèi)容，該圖被命名為赫羅圖，如圖1所示。
　　從赫羅圖上可以看出，大多數(shù)恒星組成一條從左上角綿延到右下角的序列（圖中實線部分），這條序列叫主星序（簡稱主序），其中的恒星叫主序星。另一支密集群較短，呈左低右高走向，分布在圖上部，接近右上方，這條序列叫紅巨星序（RGB）。在紅巨星分支附近存在著另外一個分支，它們在赫羅圖上與紅巨星分支很靠近，被稱作漸近巨星分支（Asymptotic Giant Branch），簡稱AGB星。
　　2. AGB星的結(jié)構(gòu)
　　AGB星是一個埋在巨大對流包層里的簡并星，它的基本結(jié)構(gòu)為：核心通常收縮為與白矮星一樣大小的致密的C—O簡并核（半徑約為10-2R，核心質(zhì)量在0.5—1.38M之間），外面通常形成雙燃燒殼層（富氫的外包層與核之間有一很小的氦燃燒區(qū)，即He殼層，即由內(nèi)向外分別有He燃燒殼層和H燃燒殼層），H—He雙燃燒殼層間為對流殼層，再外面是對流外包層。
　　3. AGB星的熱脈沖（Thermal Pulse，簡稱TP）
　　當(dāng)形成的C—O核心外緣接近外包層底部時，恒星進入熱脈沖（TP）階段。AGB星重復(fù)地經(jīng)歷四個階段：（1）C—O簡并核外的H殼層的寧靜燃燒階段。此時，恒星的能量由H燃燒產(chǎn)生，它的“死灰”He堆積在星核表面并被壓縮和加熱。（2）當(dāng)核質(zhì)量變化量ΔMc達(dá)到某一值時，He被點燃，這就是He閃階段。He閃釋放的能量加熱了外面的包層并使之膨脹，而包層的溫度和密度則不斷下降，這時進入第三階段。（3）在H—He不連續(xù)的地方與He燃燒的底層之間產(chǎn)生了對流層，對流層的物質(zhì)繼續(xù)膨脹和冷卻，He燃燒產(chǎn)生的光度降低，而通過對流層底部的能流卻不斷增加，當(dāng)能流與核反應(yīng)產(chǎn)能率達(dá)到平衡時，進入第四階段。（4）穩(wěn)定的He燃燒階段。這個階段一直持續(xù)到He燃燒所消耗的物質(zhì)總量等于H燃燒所消耗的物質(zhì)總量，這時H被重新點燃，又進入（1）階段。這種周而復(fù)始近乎循環(huán)的過程稱為熱脈沖。每個循環(huán)的基本性質(zhì)是相似的，如H殼層的光度、He殼層的光度以及總光度等。一般說來，AGB星經(jīng)歷的脈沖數(shù)與其初始主序質(zhì)量密切相關(guān)，如初始主序質(zhì)量為1.3M的AGB星，熱脈沖周期長達(dá)10年，經(jīng)歷10—12個熱脈沖后變?yōu)榘装牵欢跏贾餍蛸|(zhì)量為5M的AGB星，熱脈沖周期為1—3千年，可經(jīng)歷30—50個熱脈沖才形成白矮星和行星狀星云。
　　4.第三次挖掘
　　一般認(rèn)為，在最初幾次熱脈沖時，溫度變化幅度不夠大，隨著脈沖數(shù)的增加，熱脈沖振幅增大，在殼層He燃燒產(chǎn)能率達(dá)到極大時，燃燒區(qū)外面出現(xiàn)短時間對流殼層，在其后的脈沖過程中，對流殼層非常接近于H、He不連續(xù)區(qū)，隨著對流外包層的向內(nèi)推移，H、He不連續(xù)區(qū)與外部包層巨大的溫度梯度將導(dǎo)致內(nèi)外物質(zhì)發(fā)生急劇對流（對流速度超過包層膨脹速度），這在觀測上產(chǎn)生了最重要的影響：它將內(nèi)部殼層He燃燒中的核燃燒產(chǎn)物，即3α反應(yīng)合成的12C和在He燃燒殼層中通過S—過程產(chǎn)生的重元素，借助物質(zhì)對流帶到大氣包層，甚至帶到恒星表面，從而可以觀測到大量富C及重元素超豐的紅巨星，這就是人們所稱的“第三次挖掘”（在此之前，恒星大氣的原始化學(xué)成分已被兩種混合機制改變，即第一次上升到紅巨星時的第一次挖掘和核心He耗盡后發(fā)生的第二次挖掘，中等質(zhì)量星才會發(fā)生第二次挖掘）。第三次挖掘過程將富O的AGB星MS、S星（C/O＜1）逐漸轉(zhuǎn)化為富C的C星（C/O>1），即M→S→SC→C演化序列是低質(zhì)量AGB星經(jīng)歷C核合成、S—過程核合成及第三次挖掘的共同結(jié)果。
　　Merrill（1952）在天文觀測中首先發(fā)現(xiàn)，在S星的光譜中包含有不穩(wěn)定重核素Tc。Tc的半衰期是τ=2×10年，它的存在表明恒星內(nèi)部確實發(fā)生了核合成過程，而且這些核合成的產(chǎn)物被挖掘到了恒星表面。
　　5. AGB星核合成模型
　　5.1 AGB星核合成的早期模型
　　AGB星是發(fā)生慢中子俘獲最合適的場所。當(dāng)對流的富He殼層的底部溫度升高時，C中子源釋放出中子，種子核經(jīng)歷中子輻照而合成新的核素。
　　Cameron（1954，1957）和Greenstein認(rèn)為，C中子源是通過質(zhì)子混合到氦殼層而產(chǎn)生的。然后C通過反應(yīng)