恆星內部結構理論

恆星是相當穩定的熾熱氣體球結構﹐處於流體靜力學平衡狀態﹐壽命在幾百萬年到上百億年之間。研究恆星內部結構要求解質量﹑動量和能量守恆的三個聯立微分方程和一個產能的微分方程。一般取向徑為自變量﹐壓力﹑質量﹑光度為因變量。在恆星內部﹐能量的傳輸主要是由輻射或對流兩種機制來完成的。當輻射温度梯度超過絕熱温度梯度時﹐解能量傳輸問題採用對流傳能的微分方程﹔情況相反時﹐則採用輻射傳能的微分方程。此外﹐還用物態方程聯繫壓力﹑温度和密度。由熱核反應確定的產能率也同温度，不透明度出現在輻射轉移微分方程中﹐控制傳能的快慢。不透明度是温度﹑密度和化學成分的函數。建立恆星內部結構模型﹐需採用數字積分方法。通常先假定恆星質量和化學組成為已知量。數字積分可分為核心積分和包層積分兩部分。核心積分從恆星中心開始﹐向外積分到某一點﹔包層積分從恆星表面開始﹐向內積分到同一點﹐並使核心積分和包層積分在交界點處鑲合。即在鑲合點上保證各物理量的連續性﹐在鑲合過程中可以對一系列參數（如中心温度﹑中心壓力﹑光度半徑等）的嘗試值進行調節和確定。

太陽是離我們最近的一顆恆星﹐它的質量﹑光度﹑半徑﹑表面温度和化學成分已有較精確的數據。應用質子－質子反應和碳氮循環作為產能的機制﹐求解太陽的內部結構﹐得到太陽的中心温度為1.5×10⁷K﹐中心密度為 160克/釐米³。所採取的原始的化學成分﹐按重量計﹐氫為0.71﹐氦為0.27﹐其他重元素為0.02。由於氫聚變為氦﹐從0.2半徑的層次起氫含量從 0.71向內逐層減小﹐中心值是0.36﹐在0.2半徑的球內包含總質量的60%。質子-質子反應產生總能量的90%以上。由於問題複雜﹐根據不同模型的計算結果﹐相差可達10%。

恆星內部結構主要由它的質量﹑化學成分和演化階段（即年齡）來決定。在主星序階段（見赫羅圖）的星族I恆星的內部結構主要由質量來決定。質量大於 1.70M_⊙（M_⊙為太陽質量）的星﹐外部對流層（見太陽對流層）的影響可以忽略不計﹐可看作完全是輻射層﹐而中心部分有對流核心。質量在0.8～1.7M_⊙範圍內的恆星﹐外部有相當大的對流層﹐而中心部分的對流核心隨質量的減小而減小。太陽內部從對流層底層到中心完全是輻射層。這和產能方式有關。大質量恆星的中心温度高﹐產能機制主要是碳氮循環﹐產能率和温度的高次方成正比。温度梯度高﹐導致對流﹐質量大於 2M_⊙的恆星屬於這種類型。質量小於0.8M_⊙的恆星計算結果較少，一般認為外部的對流層向內深入。對於0.64M_⊙的恆星﹐外部對流層厚度可達半徑的1/3﹔對於0.08～0.27M_⊙的星﹐對流層可以一直延伸到中心。恆星內部結構和它的中心温度﹑密度和化學成分決定恆星中以哪種熱核反應起主導作用﹐而一旦新的熱核反應發生﹐又轉而影響﹑甚至決定恆星的結構和演化。此外﹐還可以就不同元素氫﹑氦﹑碳﹑氧等燃燒階段來討論恆星的內部結構。

恆星內部結構理論能説明赫羅圖上恆星的分佈和演化以及元素的合成和演化﹐還可以闡明各種星團赫羅圖的意義﹐確定它們的年齡和距離﹐對於瞭解恆星的本質和演化﹐有很大作用。不過﹐恆星內部結構理論也有某些不足之處。由於問題的複雜性﹐在理論和計算上都不得不採取一些近似和簡化方法﹐因而結果往往不夠精確。

L. H. Aller and D. B. Mclaughlin eds﹐Stellar Structure﹐Univ.of Chicago Press﹐Chicago﹐1965.

M. Schwarzschild﹐ Structure and Evolution of the Stars﹐Princeton Univ.Press﹐Princeton﹐1958.