AGB星的結構及演化

　　摘 要： AGB星是漸近巨星分支，具有H—He雙燃燒殼層，其內部會發生熱脈沖過程和第三次挖掘，由于中子輻照發生核合成，是S—過程核素的主要產地。本文對AGB星的結構及演化進行了分析。
　　關鍵詞： AGB星 結構 熱脈沖 第三次挖掘 核合成模型
　　
　　1. AGB星
　　丹麥天文學家赫茨普龍以恒星的光度為縱坐標，以溫度為橫坐標，對大量的恒星作了統計并畫出一張圖，該圖可以解讀恒星的許多信息。美國天文學家羅素經過研究也獨立地畫出了恒星的光度和光譜型之間的關系圖。人們經過對比發現他們兩人的圖是一樣的內容，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星的結構
　　AGB星是一個埋在巨大對流包層里的簡并星，它的基本結構為：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，即He殼層，即由內向外分別有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星重復地經歷四個階段：（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燃燒產生，它的“死灰”He堆積在星核表面并被壓縮和加熱。（2）當核質量變化量ΔMc達到某一值時，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不連續的地方與He燃燒的底層之間產生了對流層，對流層的物質繼續膨脹和冷卻，He燃燒產生的光度降低，而通過對流層底部的能流卻不斷增加，當能流與核反應產能率達到平衡時，進入第四階段。（4）穩定的He燃燒階段。這個階段一直持續到He燃燒所消耗的物質總量等于H燃燒所消耗的物質總量，這時H被重新點燃，又進入（1）階段。這種周而復始近乎循環的過程稱為熱脈沖。每個循環的基本性質是相似的，如H殼層的光度、He殼層的光度以及總光度等。一般說來，AGB星經歷的脈沖數與其初始主序質量密切相關，如初始主序質量為1.3M的AGB星，熱脈沖周期長達10年，經歷10—12個熱脈沖后變為白矮星；而初始主序質量為5M的AGB星，熱脈沖周期為1—3千年，可經歷30—50個熱脈沖才形成白矮星和行星狀星云。
　　4.第三次挖掘
　　一般認為，在最初幾次熱脈沖時，溫度變化幅度不夠大，隨著脈沖數的增加，熱脈沖振幅增大，在殼層He燃燒產能率達到極大時，燃燒區外面出現短時間對流殼層，在其后的脈沖過程中，對流殼層非常接近于H、He不連續區，隨著對流外包層的向內推移，H、He不連續區與外部包層巨大的溫度梯度將導致內外物質發生急劇對流（對流速度超過包層膨脹速度），這在觀測上產生了最重要的影響：它將內部殼層He燃燒中的核燃燒產物，即3α反應合成的12C和在He燃燒殼層中通過S—過程產生的重元素，借助物質對流帶到大氣包層，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耗盡后發生的第二次挖掘，中等質量星才會發生第二次挖掘）。第三次挖掘過程將富O的AGB星MS、S星（C/O＜1）逐漸轉化為富C的C星（C/O>1），即M→S→SC→C演化序列是低質量AGB星經歷C核合成、S—過程核合成及第三次挖掘的共同結果。
　　Merrill（1952）在天文觀測中首先發現，在S星的光譜中包含有不穩定重核素Tc。Tc的半衰期是τ=2×10年，它的存在表明恒星內部確實發生了核合成過程，而且這些核合成的產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星是發生慢中子俘獲最合適的場所。當對流的富He殼層的底部溫度升高時，C中子源釋放出中子，種子核經歷中子輻照而合成新的核素。
　　Cameron（1954，1957）和Greenstein認為，C中子源是通過質子混合到氦殼層而產生的。然后C通過反應