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F型主序星

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F型主序星（F V），也稱黃白矮星、黃白色主序星，是光譜類型為F，光度分類為V的主序星（燃燒氫）的恆星。F型主序星在恆星中的占比約3.03%[1]。這一類恆星的質量是太陽的約1.1—1.7倍，表面溫度在6,000—7,600K之間[2]，表VII和VIII.。這個溫度範圍使F型恆星呈現出黃白色的色調，因而得名。F型主序星的壽命主要集中在25—80億年（受金屬豐度和恆星自轉影響，少數極端個例可以低於20億年或者超過110億年）。[3][4][5][6][7][8]

相比之下，G型主序星的質子—質子鏈反應占主導地位，基本結構為輻射核（內部，質子—質子鏈反應為主）+對流包層（外部）；F型主序星隨著表面溫度逐漸增加，碳氮氧循環占比的上升速度很快，基本結構開始逐漸傾向於對流核（內部，碳氮氧循環導致過熱而對流）+輻射包層（外部，質子—質子鏈反應為主）從而出現結構翻轉，導致F型主序星比G型主序星更容易高速自轉，是兩者之間的重要差異。某些中文資料稱F型主序星與G型主序星的一個重要差異是F型主序星最後能夠進行碳聚變，但其實碳聚變需要B型主序星以上（至少約6—7倍太陽質量，金屬豐度越高則降低恆星核心溫度、越需要更大質量）才能在巨星階段完成（簡併核不超過約1.4倍太陽質量則成為氧氖鎂白矮星）。F/G屬性接近（F9V和G0V界限模糊），都適合孕育生物圈。[9][10][11][12][13]

著名的近地恆星案例包括梗河二、南河三A、御女四、輦道五、參旗六、鱉七A和B、HD 10647、東上相（室女座γ）A和B等[14]。

壽命和行星系統

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F型恆星周圍的碎片盤

目前的一些研究表明，生命亦可能在圍繞F型恆星運行的行星上發展。[15]一顆相對較熱的F0V恆星的宜居帶會從大約2.0個天文單位延伸到約3.7個天文單位；而對於一顆相對低溫的F8V恆星，宜居帶則位於約1.1至2.2個天文單位。[16][17][18]

F型主序星的壽命在某些中文資料中被描述為20億至40億年，並不準確。太陽壽命約105億年，簡化為約100億年來計算[19]，按照恆星壽命反比於質量的2.5次方來計算（即使按3次方來計算也上限遠不止40億年，而且從F型主序星開始逐漸以碳氮氧循環為主，應該反比於質量的2.5次方而非3次方），F型主序星（約1.1倍至1.7倍太陽質量）所對應的基礎壽命在約25億年至80億年左右（戴森球計劃中則將F型主序星的壽命描述為通常是30億年至80億年[20]，但遊戲僅供參考），天文研究資料例如astro.vaporia.com將F型主序星的壽命計算為40億年至90億年[3]（可能高估平均值）。

除質量所對應的基礎壽命以外，恆星的金屬豐度高（一些中文資料稱金屬豐度高會減壽是錯誤的，金屬豐度高會增加恆星的不透明度而降低核融合速率，同等質量下光譜/表面溫度和亮度均偏暗，中等質量的B/A/F/早G型主序星顯著延壽，小質量恆星本來就核融合過慢因此僅較低比例延壽，早B/O型恆星可能減壽）和恆星自轉速度快（一些中文資料稱自轉速度快會減壽是錯誤的，自轉速度越快則促進恆星的中外層的氫進入核心層的碳氮氧循環中以提高氫利用率以延壽，從F型主序星開始有明顯效果，對A/B型主序星效果最好；而完全對流的小質量恆星全體進行質子—質子鏈反應因此無法再提高氫利用率，晚G/K/早M型主序星不完全對流因此存在對氫的浪費、但是它們只依靠質子—質子鏈反應因此核心層的氫離子濃度遠高於中外層，導致濃度差的壓力阻止通過自轉讓中外層的氫進入核心層、也延壽不明顯；金屬豐度越高則提高碳氮氧循環比重、增強自轉快的延壽效果和最低質量門檻）可以延長壽命、反之則縮短壽命；低金屬豐度且自轉慢的早F型主序星的壽命僅20億年左右，光譜靠近F/G邊界（F7V至G0V）、初始自轉較快（太陽自轉慢，容易快於太陽）且金屬豐度至少兩倍左右於太陽的恆星（太陽的金屬豐度已經偏高，這類恆星存在但不是很多）甚至可能壽命略長於太陽（>110億年）。[21][5][22][23][24][6][25][26][27][7]

實際上，天文觀測到的年齡在60億年至80億年且仍然在正常進行燃燒氫的F型主序星非常多見，即使是超過100億年的案例也存在，例如HD150789（F9V）的年齡為約112億歲[4]，HD 194598（F8V）的年齡為100億年左右或略高，HD 201891（F8V）的年齡為99.7±1.1億年左右，HD 4597（F7V）的年齡在65—115億歲不確定[4]，HD 203608（F6V）的年齡為約105億歲[4]，HD 84937（F5V，還未完全進入亞巨星階段）的年齡甚至為120億年（有觀點認為是138億年，逼近宇宙年齡）以上[28][29]、HD 16784（F2III，雖然是巨星但是年齡高達113.5億年[30]）。[31][32][33]類似的著名案例還有下台二A (大熊座ξA)（下台二系統實際上是F8.5V+G2V），該F8.5V的恆星的理論壽命也與太陽相當。[34]但是這些往往都是厚盤老年恆星群中的嚴重貧金屬豐度的恆星，即現存年齡極長的F型主序星全都是在宇宙早期階段形成的，幾乎普遍為第二代恆星，那個時候的宇宙根本就沒有能力生成高金屬豐度的F型主序星，且由於金屬豐度極低會大幅提高同等質量恆星的表面溫度，從而使得一些質量上顯著小於太陽的恆星在光譜上反而符合F型主序星的特徵[4]。理論上，質量只比太陽略大的高自轉富金屬恆星也一樣可以把壽命延長到比太陽更長，但由於整個宇宙的恆星平均金屬豐度的演化需要較長的時間，目前這些恆星還比較年輕，難以直接證偽其理論壽命（可以參考的一個案例是HD 162826，質量是太陽的1.17倍，金屬豐度只比太陽高一點、自轉很慢，年齡約45億歲，光譜為F8V，和太陽起源於同一片星雲、仍然處在主序星中期階段，沒有熱木星且可能存在宜居帶行星；另一個可以參考的案例是WASP-76，質量是太陽的1.28倍，金屬豐度有爭議、一些較新研究認為可能為太陽的2.5倍左右但恆星自轉較慢，光譜為F7V，年齡為53—60億歲且照樣處在主序星中期階段，有熱木星WASP-76b）[35][36]。

宜居性

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不同於G型恆星，在此處假設生命形式所要面對的主要難題是更強烈的光線輻射和平均更短的恆星壽命；F型恆星的電磁輻射能量峰值波段比G型恆星更短，紫外輻射遠超G型恆星；因此從長遠來看，這會對DNA分子產生深遠的負面影響，從而阻礙生命的延續。如果處於其宜居帶的行星或衛星恰好擁有一層稠密的大氣和臭氧圈，那麼理論上生命可以在星球表面得到發展，只是生存空間可能會相對局限於水下或者陸地洞穴中。[15]但21世紀的新研究表明，紫外輻射是一把雙刃劍，過強會破壞生態系統，過弱則不能驅動複雜有機物等的產生與演化（中等質量恆星的紫外輻射強於小質量恆星反而可能加速分子變異，甚至還可以給生命直接提供光解、體內合成特定分子的額外能量來源）[37][38][39][40][41]，只有0.8倍太陽質量至1.8倍太陽質量的恆星的紫外宜居帶和可見光宜居帶能夠重合[42]。2022年的新研究則指出，F型主序星和A型主序星的高速自轉會導致重力昏暗，恆星的赤道面的重力減弱的同時，該面向的溫度和輻射也顯著低於恆星的兩極面（且恆星表層的赤道半徑會拉長，變成扁球形），行星軌道通常都在恆星的赤道面而非兩極面，也可以減輕宜居帶星球的紫外輻射，使其更加適合陸地生物居住（紫外宜居帶和可見光宜居帶重合的質量上限延展到太陽的2.2倍左右）[41]。

F型主序星的恆星風和耀斑活動對宜居帶星球的破壞也都程度較輕（好於O、B、G、K、M型主序星，僅次於非磁性的A型主序星，雖然恆星金屬豐度高和自轉速度快也會加重恆星風但對A/F星等程度較輕，畢竟宜居帶較為遙遠且恆星基礎活動偏溫和，只要恆星磁場不是很強就不要緊[43][44][45][46][47][48][49]）。而對於類似於地球現代的大氣層，F型主序星的紫外輻射在可以承受的範圍內；但是在大氧化事件之前（低 O₂，也意味著臭氧層比現在更薄），F型主序星的輻射劑量既可能促進前生物化學的發展（F型主序星的宜居帶比G/K/M型主序星要寬廣，且一些觀點認為F型主序星的紫外宜居帶與可見光宜居帶的重合度是所有主序星中最高的[42][8][41]），也可能加劇生物損傷，取決於具體時段與大氣成分。[50]

參見

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參考資料

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  1. ^ Ledrew, Glenn. The Real Starry Sky. Journal of the Royal Astronomical Society of Canada. February 2001, 95: 32. Bibcode:2001JRASC..95...32L. 
  2. ^ Habets, G. M. H. J.; Heintze, J. R. W. Empirical bolometric corrections for the main-sequence.. Astronomy and Astrophysics Supplement Series. 1981-11-01, 46: 193–237 [2022-02-15]. ISSN 0365-0138. （原始內容存檔於2022-01-26）. 
  3. ^ 3.0 3.1 F-type star
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 Feltzing S , Lundstrom I , Bensby T .Elemental abundance trends in the Galactic thin and thick disks as traced by nearby F and G dwarf stars[J].Astronomy & Astrophysics A European Journal, 2003, 410(2):págs. 527-552.DOI:10.1051/0004-6361:20031213.
  5. ^ 5.0 5.1 Van Saders J L , Pinsonneault M H .Fast Star, Slow Star; Old Star, Young Star: Subgiant Rotation as a Population and Stellar Physics Diagnostic[J].Astrophysical Journal, 2013, 776(2):201-201.DOI:10.1088/0004-637X/776/2/67.
  6. ^ 6.0 6.1 Amard L , Matt S P .The Impact of Metallicity on the Evolution of Rotation and Magnetic Activity of Sun-Like Stars[J].The Astrophysical Journal, 2020, 889.DOI:10.3847/1538-4357/ab6173.
  7. ^ 7.0 7.1 Nguyen C T , Costa G , Bressan A ,et al.PARSEC V2.0: Rotating tracks and isochrones for seven addtional metallicities in the range Z=0.0001-0.03[J].2025.
  8. ^ 8.0 8.1 Sato S , Cuntz M , Guerra Olvera C M ,et al.Habitability around F-type stars[J].International Journal of Astrobiology, 2013, 13(3):244-258.DOI:10.1017/S1473550414000020.
  9. ^ Kubikowski J .Stellar Structure and Evolution[J].Fundamentals of Astrophysics, 2021.DOI:10.1017/9781108951012.017.
  10. ^ Schweizer D .An Introduction To Modern Astrophysics[J]. 2016.DOI:10.5860/choice.44-5618.
  11. ^ Maeder A , Stahler S .Physics, Formation and Evolution of Rotating Stars[M].Springer Berlin Heidelberg,2009.
  12. ^ Stellar Interiors: Physical Principles, Structure, and Evolution[M]. 2004.
  13. ^ Paxton B , Smolec R , Gautschy A ,et al.Modules for Experiments in Stellar Astrophysics (MESA): Pulsating Variable Stars, Rotation, Convective Boundaries, and Energy Conservation[J].The Astrophysical Journal Supplement Series, 2019, 243(1):10-.DOI:10.3847/1538-4365/ab2241.
  14. ^ SIMBAD, entries on Gamma Virginis A （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） and Gamma Virginis B （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, accessed June 19, 2007.
  15. ^ 15.0 15.1 published, Adam Hadhazy. Could Alien Life Cope with a Hotter, Brighter Star?. Space.com. 2014-05-01 [2022-02-06]. （原始內容存檔於2022-02-06） （英語）. 
  16. ^ Borucki W J .Kepler space mission: Detection of Earth-size planets in the habitable zone of solar-like stars[J].IEEE, 2010.DOI:10.1109/AERO.2010.5447039.
  17. ^ Kopparapu R K , Ramirez R , Kasting J F ,et al.HABITABLE ZONES AROUND MAIN-SEQUENCE STARS: NEW ESTIMATES[J].The Astrophysical Journal, 2013.DOI:10.1088/0004-637X/765/2/131.
  18. ^ Domagal-Goldman S , Schottelkotte J , Ramirez R M ,et al.HABITABLE ZONES AROUND MAIN-SEQUENCE STARS: DEPENDENCE ON PLANETARY MASS[J].The Astrophysical Journal iLetters, 2014.
  19. ^ Aumer M , Binney J J .Kinematics and history of the solar neighbourhood revisited[J].Oxford University Press, 2009(3).DOI:10.1111/J.1365-2966.2009.15053.X.
  20. ^ 天體—戴森球計劃
  21. ^ Salaris M , Cassisi S .Evolution of Stars and Stellar Populations (Salaris/Evolution of Stars and Stellar Populations) || The Advanced Evolutionary Phases[M].J. Wiley, 2005.
  22. ^ B. Pérez-Rendón,G. García-Segura,N. Langer.Evolutionary effects of rotation in massive stars and their circumstellar medium[J].Revista Mexicana De Fisica, 2008, 54.DOI:10.1088/0034-4885/71/11/116501.
  23. ^ Meynet G , Maeder A .Stellar Evolution with Rotation V: Changes in all the Outputs of Massive Star Models[J].Astronomy & Astrophysics, 2000, 361(1):101-120.DOI:doi:10.1007/s001590000011.
  24. ^ Grids of stellar models with rotation: IV. Models from 1.7 to 120 M ⊙ at a metallicity Z = 0.0004, April 2019, Astronomy and Astrophysics 627, DOI:10.1051/0004-6361/201833720.
  25. ^ Zahn J P .Circulation and turbulence in rotating stars[J].Astronomy & Astrophysics, 2005, 265(265):115-132.DOI:10.1086/116380.
  26. ^ Choi J , Dotter A , Conroy C ,et al.MESA ISOCHRONES AND STELLAR TRACKS (MIST). I. SOLAR-SCALED MODELS[J].Astrophysical Journal, 2016, 823(2):102.DOI:10.3847/0004-637X/823/2/102.
  27. ^ Alessandro Bressan, Paola Marigo, Léo Girardi, Bernardo Salasnich, Claudia Dal Cero, Stefano Rubele, Ambra Nanni, PARSEC: stellar tracks and isochrones with the PAdova and TRieste Stellar Evolution Code, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 427, Issue 1, 21 November 2012, Pages 127–145, https://doi.org/10.1111/j.1365-2966.2012.21948.x
  28. ^ Oppenheimer B R , Saumon D , Hodgkin S T ,et al.Observations of Ultracool White Dwarfs[J].Astrophysical Journal, 2002, 550(1):448.DOI:10.1086/319718.
  29. ^ Spite M , Peterson R C , Gallagher A J ,et al.Abundances of the light elements from UV (HST) and red (ESO) spectra in the very old star HD 84937[J].Astronomy & Astrophysics, 2017, 600.DOI:10.1051/0004-6361/201630058.
  30. ^ Mena E D , Israelian G ,J. I. González Hernández,et al.Li depletion in solar analogues with exoplanets: Extending the sample[J].Physics, 2014, 562:118-130.DOI:10.1051/0004-6361/201321493.
  31. ^ Scholz R D , Heber U , Heuser C ,et al.An ancient F-type subdwarf from the halo crossing the Galactic plane[J].Astronomy & Astrophysics, 2015, 574.DOI:10.1051/0004-6361/201425471.
  32. ^ Sahin T , Bilir S .On the Origin of Metal-poor Stars in the Solar Neighborhood[J]. 2020.DOI:10.3847/1538-4357/aba2d2.
  33. ^ Stonkuté, E., Tautvaisiené, G., Zenoviené, R., & Nordström, B. (2012). Stellar substructures in the solar neighbourhood. I. Kinematic group 3 in the Geneva-Copenhagen survey. Astronomy & Astrophysics, 541, A157. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201118760
  34. ^ Wright, E. L., Skrutskie, M. F., Kirkpatrick, J. D., Gelino, C. R., Griffith, R. L., Marsh, K. A., Jarrett, T., Nelson, M. J., Borish, H. J., MacE, G., Mainzer, A. K., Eisenhardt, P. R., McLean, I. S., Tobin, J. J., & Cushing, M. C. (2013). A T8.5 brown dwarf member of the ξ ursae majoris system. Astronomical Journal, 145(3), Article 84. https://doi.org/10.1088/0004-6256/145/3/84
  35. ^ Dotter, Aaron; Chaboyer, Brian; Jevremović, Darko; Kostov, Veselin; Baron, E.; Ferguson, Jason W. The Dartmouth Stellar Evolution Database. The Astrophysical Journal Supplement Series. September 2008, 178 (1): 89–101. Bibcode:2008ApJS..178...89D. ISSN 0067-0049. arXiv:0804.4473 可免費查閱. doi:10.1086/589654 可免費查閱. eISSN 1538-4365. 
  36. ^ WASP-76 Overview
  37. ^ Schlecker M ,Dániel Apai, Affholder A ,et al.Bioverse: Potentially Observable Exoplanet Biosignature Patterns under the UV Threshold Hypothesis for the Origin of Life[J].IOP Publishing Ltd, 2025.DOI:10.3847/1538-4357/adc8a9.
  38. ^ Haqq-Misra J .Does the Evolution of Complex Life Depend on the Stellar Spectral Energy Distribution?[J].AsBio, 2019, 19.DOI:10.1089/ast.2018.1946.
  39. ^ Oishi M , Kamaya H .A SIMPLE EVOLUTIONAL MODEL OF THE UV HABITABLE ZONE AND THE POSSIBILITY OF PERSISTENT LIFE EXISTENCE: THE EFFECTS OF MASS AND METALLICITY[J].Astrophysical Journal, 2016, 833(2):293.DOI:10.3847/1538-4357/833/2/293.
  40. ^ Sparrman, V. (2022). Post-Main Sequence Habitability for Outer Solar System Moons (Dissertation). Retrieved from https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-477353
  41. ^ 41.0 41.1 41.2 Ahlers J P , Fromont E F , Kopparappu R ,et al.The Habitable Zones of Rapidly Rotating Main Sequence A/F Stars[J].The Astrophysical Journal, 2022, 928(1):35 (9pp).DOI:10.3847/1538-4357/ac5596.
  42. ^ 42.0 42.1 Guo J , Zhang F , Zhang X ,et al.Habitable Zones and UV Habitable Zones around Host Stars[J].Astrophysics & Space Science, 2010, 325(1):25.DOI:10.1007/s10509-009-0173-9.
  43. ^ C. Schröder, Schmitt J H M M .X-ray emission from A-type stars[J].Astronomy & Astrophysics, 2007, 475(2):677-684.DOI:10.1051/0004-6361:20077429.
  44. ^ Wood, B. E., Müller, H.-R., Redfield, S., & Edelman, E. 2014, ApJ, 781, L33 [NASA ADS] [CrossRef] [Google Scholar]
  45. ^ Vidotto, A.A. The evolution of the solar wind. Living Rev Sol Phys 18, 3 (2021). https://doi.org/10.1007/s41116-021-00029-w
  46. ^ Wood B E , Mueller H R , Zank G P ,et al.Measured Mass Loss Rates of Solar-like Stars as a Function of Age and Activity[J].The Astrophysical Journal, 2002, 574(1):412-425.DOI:10.1086/340797.
  47. ^ Wood B E .Implications of Recent Stellar Wind Measurements[J].Journal of Physics Conference Series, 2018, 1100.DOI:10.1088/1742-6596/1100/1/012028.
  48. ^ Oishi M , Kamaya\T H .a simple evolutional model of the uv habitable zone and the possibility of persistent life existence: the effects of mass and metallicity[J]. 2019.DOI:10.3847/1538-4357/833/2/293.
  49. ^ Althukair A K , Tsiklauri D .Main Sequence Star Super-flare Frequency based on Entire Kepler Data[J].IOP Publishing Ltd, 2023.DOI:10.1088/1674-4527/acdc09.
  50. ^ Rugheimer S , Segura A , Kaltenegger L ,et al.UV SURFACE ENVIRONMENT OF EARTH-LIKE PLANETS ORBITING FGKM STARS THROUGH GEOLOGICAL EVOLUTION[J].The Astrophysical Journal, 2015, 806(1):137 (10pp).DOI:10.1088/0004-637X/806/1/137.
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