字國物质起源? 陆埮 中国科学院紫金山天文台 2013315
宇宙物质起源? 陆 埮 中国科学院 紫金山天文台 2013 3 15
Elem ndance Element Abundance Element Abundance IH279×10m2Cu522 58Ce1.136 He272×1090zn1260 6大阳系元素丰度 3 Li 57.131Ga37.860Nd0.8279 4 Be 0.7332Ge119 62Sm0.2582 (按原子数计 5B 21233As66563Eu0.0973 6C1.01×10734Se62.164Gd0.330 7N3,13×10635Br11865Tb00603 以S1=10归一)。 802.38×10736K 45 66Dy0.3942 9F 84337Rb70967Ho0.0889 Martin harwit: 10Ne344×10°38S23.568Er0.2508 11Na5.:74×10439Y 46469Tm00378 Astrophysical Concepts 12Mg1.074×10°40zr1470Yb0.2479 4th Edition, Springer 13A18.49×10441Nb 0.69871Lu0.0367 14Si100×10642Mo2.5572Hf0.154 15P 1.04×10444Ru 1.8673Ta0.0207 16S5.15×10545Rh034474W0.33 17 CI 524046P 13975Re00517 18Ar1.01×10°47A 0486760s0.675 e ~0.28 19K 377048cd 1.61|77Ir0.661 20Ca6.11×104|49ln 018478Pt1.34 34250Sn 38279Au0.187 0.72 22 T1 240051sb0.30980Hg0.34 293 52 Te 481181T10.184 其他总和<0.01 24Cr1.35×104|531 09082Pb3.15 25 Mn 955054Xe 4.783Bi0.44 26Fe9.00×1055Cs 037290Th00335 (按重量计) 27 Co 225056Ba 4.4992U0.0090 28N14.93×10457La 0.4460
太阳系元素丰度 （按原子数计， 以Si=106归一）。 Martin Harwit： Astrophysical Concepts 4th Edition，Springer ( ) 0.01 H ~ 0.72 He ~ 0.28 1 4 按重量计 其他总和
元素丰度分布特征 氢和氦丰度遥遥领先,几乎占99%。 太阳、陨石和地球物质中的元素分布非常 相似(地球的氢、氦例外)。 这种相似性或一致性具有普遍性.对于其 它恒星甚至临近星系也同样适用。因此 反常丰度往往可以用来提示恒星演化或化 学分馏特征信息
元素丰度分布特征 • 氢和氦丰度遥遥领先，几乎占99%。 • 太阳、陨石和地球物质中的元素分布非常 相似(地球的氢、氦例外)。 • 这种相似性或一致性具有普遍性，对于其 它恒星甚至临近星系也同样适用。因此， 反常丰度往往可以用来提示恒星演化或化 学分馏特征信息
太阳与地球元素丰度的差别 太阳与地球的元素丰度有个重大差别:占 太阳上99%的氢和氦,在地球上却很少。氦 在地球上几乎没有。氢只能以化合物的形 式存在(如水、氨基、羟基等)。原因很 简单:地球上的引力不足以束缚住氢气和 氦气,而氦为惰性气体,不存在化合物。 ·太阳质量占太阳系质量的99%以上。 ·太阳质量=1.99×1030kg 差5个多量级 地球质量=5.9742×1024kg
太阳与地球元素丰度的差别 • 太阳与地球的元素丰度有个重大差别：占 太阳上99%的氢和氦，在地球上却很少。氦 在地球上几乎没有，氢只能以化合物的形 式存在（如水、氨基、羟基等）。原因很 简单：地球上的引力不足以束缚住氢气和 氦气，而氦为惰性气体，不存在化合物。 • 太阳质量占太阳系质量的99%以上。 • 太阳质量=1.99×1030 kg • 地球质量=5.9742×1024 kg 差5个多量级
恒星内的元素起源 ·热核反应:弱作用(缓慢)的聚变反应 太阳内部~10度)-弱作用瓶颈 既是恒星能源,又是恒星元素起源
恒星内的元素起源 • 热核反应：弱作用（缓慢）的聚变反应 （太阳内部～ ）- 弱作用瓶颈 • 既是恒星能源，又是恒星元素起源 107 度
p-p链(较低溫) p链 p+p→>D+e++v(1.44MeV,:0.26) e+e→y 释放能量 p+D→He3+y(5,49) He'+He'>He+p+p(12.86) 总效果:ppp He3+He→Be+y(1.59) →4He+2e++2v Be+e→>Li+v(0.86,v:0.80 L+p→2He(17.35) 瓶颈:弱作用 Be′+p→>B+y(0.14) B3→2He4+e+v(18.08,v:720)
p-p链（较低温） 2 (18.08, : 7.20) (0.14) 2 (17.35) (0.86, : 0.80) (1.59) (12.86) (5.49) (1.44 MeV, : 0.26) 8 4 7 8 7 4 7 7 3 4 7 3 3 4 3 → + + + → + + → + → + + → + + → + + + → + + → + → + + − + − + − + B He e Be p B Li p He Be e Li He He Be He He He p p p D He e e p p D e p p链： 总效果：pppp →4He+2e++2 释放能量 瓶颈：弱作用
CN-CNO循环(较高溫) CN-CNO循环: p+C2→N3+y(1.9MeV) N13→C3+e++v(222,v:0.71) 释放能量 +y(7.55) P+N14→O3+y(729) 013→N3+e+v(2.76,w:1.00) 总效果:ppp P+NIs C2+H(4.96) →4He+2e++2v p+Nls C+y(12.13) D+O16 17+y(0.60) F7→O+e++v(2.76,v:094) 瓶颈:弱作用 e+e→>y P+O→N+He4(1.19
CN-CNO循环（较高温） (1.19) (2.76, : 0.94) (0.60) (12.13) (4.96) (2.76, :1.00) (7.29) (7.55) (2.22, : 0.71) (1.94 MeV) 1 7 1 4 4 1 7 1 7 1 6 1 7 1 5 1 6 1 5 1 2 4 1 5 1 5 1 4 1 5 1 3 1 4 1 3 1 3 1 2 1 3 p O N He e e F O e p O F p N C p N C He O N e p N O p C N N C e p C N CN CNO + → + + → → + + + → + + → + + → + → + + + → + + → + → + + + → + − + − + + + 循环： 总效果：pppp → 4He+2e++2 释放能量 瓶颈：弱作用
B2FH ( M Burbidge、 G Burbidge、WA. Fowler、F. Hoyle) 1957 恒星的元素合成。 氢燃烧,氦燃烧,碳、氧、硅燃烧; e过程、s过程、r过程、p过程; ■■■■■■■■
B2FH （M.Burbidge、G.Burbidge、W.A. Fowler、F. Hoyle） 1957 • 恒星的元素合成。 • 氢燃烧，氦燃烧，碳、氧、硅燃烧；…… • e过程、s过程、r过程、p过程；…… • ………
恒星形成的氦 质子是元素形成的原料和基石。太阳内部温度 仅~107度必经弱过程,进行缓慢。 ·恒星内进一步过程还会产生其他元素。 ·45亿年太阳过程合成了多少氦?太阳的辐射功 率L、m=3.826×103erg/s,从45亿年太 阳的总辐射能量可以算出,按质量计算,所产 生的氦远小于5%,无法解释观测值:~25% 观测到的氨肯定主要不是恒星过程产生 的。氢究竟是怎样产生的?
恒星形成的氦 • 质子是元素形成的原料和基石。太阳内部温度 仅～ ，必经弱过程，进行缓慢。 • 恒星内进一步过程还会产生其他元素。 • 45亿年太阳过程合成了多少氦？太阳的辐射功 率 , 从45亿年太 阳的总辐射能量可以算出，按质量计算，所产 生的氦远小于5%，无法解释观测值: ～25%。 观测到的氦肯定主要不是恒星过程产生 的。氦究竟是怎样产生的？ L ergs s solar 3.826 10 / 3 3 = 107 度
氤主要怎样形成? 恒星过程太慢,主要是受弱作用控制。 宇宙早期高温高密状态存在中子,可以通 过质子、中子强作用直接快速生成氦 自由中子的寿命只有一刻钟(15分钟)! 宇宙的两大基本性特征: 1)宇宙学原理 2)宇宙膨胀
氦主要怎样形成？ • 恒星过程太慢，主要是受弱作用控制。 • 宇宙早期高温高密状态存在中子，可以通 过质子、中子强作用直接快速生成氦。 • 自由中子的寿命只有一刻钟（15分钟）！ • 宇宙的两大基本性特征： 1）宇宙学原理； 2）宇宙膨胀