F型主序星

缩略图
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型主序星在恒星中的占比约3.03%。這一類恆星的質量是太陽的约1.1—1.7倍，表面溫度在6,000—7,600K之間，表VII和VIII.。这个温度范围使F型恒星呈现出黄白色的色调，因而得名。F型主序星的寿命主要集中在25—80亿年（受金属丰度和恒星自转影响，少数极端个例可以低于20亿年或者超过110亿年）。F-type starFeltzing 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.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.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.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.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.

相比之下，G型主序星的质子—质子链反应占主导地位，基本结构为辐射核（内部，质子—质子链反应为主）+对流包层（外部）；F型主序星随着表面溫度逐渐增加，碳氮氧循环占比的上升速度很快，基本结构开始逐渐倾向于对流核（内部，碳氮氧循环导致过热而对流）+辐射包层（外部，质子—质子链反应为主）从而出现结构翻转，导致F型主序星比G型主序星更容易高速自转，是两者之间的重要差异。某些中文资料称F型主序星与G型主序星的一个重要差异是F型主序星最后能够进行碳聚变，但其实碳聚变需要B型主序星以上（至少约6—7倍太阳质量，金属丰度越高则降低恒星核心温度、越需要更大质量）才能在巨星阶段完成（简并核不超过约1.4倍太阳质量则成为氧氖镁白矮星）。F/G属性接近（F9V和G0V界限模糊），都适合孕育生物圈。Kubikowski J .Stellar Structure and Evolution[J].Fundamentals of Astrophysics, 2021.DOI:10.1017/9781108951012.017.Schweizer D .An Introduction To Modern Astrophysics[J]. 2016.DOI:10.5860/choice.44-5618.Maeder A , Stahler S .Physics, Formation and Evolution of Rotating Stars[M].Springer Berlin Heidelberg,2009.Stellar Interiors: Physical Principles, Structure, and Evolution[M]. 2004.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.

著名的近地恒星案例包括梗河二、南河三A、御女四、辇道五、参旗六、鳖七A和B、HD 10647、東上相（室女座γ）A和B等SIMBAD, entries on Gamma Virginis A  and Gamma Virginis B , accessed June 19, 2007.。

 寿命和行星系统 
缩略图|F型恆星周圍的碎片盤
目前的一些研究表明，生命亦可能在围绕F型恒星运行的行星上发展。一颗相对较热的F0V恒星的宜居带会从大约2.0个天文單位延伸到约3.7个天文单位；而对于一颗相对低温的F8V恒星，宜居带则位于约1.1至2.2个天文单位。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.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.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.

F型主序星的寿命在某些中文资料中被描述为20亿至40亿年，并不准确。太阳寿命约105亿年，简化为约100亿年来计算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.，按照恒星寿命反比于质量的2.5次方来计算（即使按3次方来计算也上限远不止40亿年，而且从F型主序星开始逐渐以碳氮氧循环为主，应该反比于质量的2.5次方而非3次方），F型主序星（约1.1倍至1.7倍太阳质量）所对应的基础寿命在约25亿年至80亿年左右（戴森球计划中则将F型主序星的寿命描述为通常是30亿年至80亿年天体—戴森球计划，但游戏仅供参考），天文研究资料例如astro.vaporia.com将F型主序星的寿命计算为40亿年至90亿年（可能高估平均值）。

除质量所对应的基础寿命以外，恒星的金属丰度高（一些中文资料称金属丰度高会减寿是错误的，金属丰度高会增加恒星的不透明度而降低核聚变速率，同等质量下光谱/表面温度和亮度均偏暗，中等质量的B/A/F/早G型主序星显著延寿，小质量恒星本来就核聚变过慢因此仅较低比例延寿，早B/O型恒星可能减寿）和恒星自转速度快（一些中文资料称自转速度快会减寿是错误的，自转速度越快则促进恒星的中外层的氢进入核心层的碳氮氧循环中以提高氢利用率以延寿，从F型主序星开始有明显效果，对A/B型主序星效果最好；而完全对流的小质量恒星全体进行质子—质子链反应因此无法再提高氢利用率，晚G/K/早M型主序星不完全对流因此存在对氢的浪费、但是它们只依靠质子—质子链反应因此核心层的氢离子浓度远高于中外层，导致浓度差的压力阻止通过自转让中外层的氢进入核心层、也延寿不明显；金属丰度越高则提高碳氮氧循环比重、增强自转快的延寿效果和最低质量门槛）可以延长寿命、反之则缩短寿命；低金属丰度且自转慢的早F型主序星的寿命仅20亿年左右，光谱靠近F/G边界（F7V至G0V）、初始自转较快（太阳自转慢，容易快于太阳）且金属丰度至少两倍左右于太阳的恒星（太阳的金属丰度已经偏高，这类恒星存在但不是很多）甚至可能寿命略长于太阳（>110亿年）。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.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.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.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.Zahn J P .Circulation and turbulence in rotating stars[J].Astronomy & Astrophysics, 2005, 265(265):115-132.DOI:10.1086/116380.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.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

实际上，天文观测到的年龄在60亿年至80亿年且仍然在正常进行燃燒氫的F型主序星非常多见，即使是超过100亿年的案例也存在，例如HD150789（F9V）的年龄为约112亿岁，HD 194598（F8V）的年龄为100亿年左右或略高，HD 201891（F8V）的年龄为99.7±1.1亿年左右，HD 4597（F7V）的年龄在65—115亿岁不确定，HD 203608（F6V）的年龄为约105亿岁，HD 84937（F5V，还未完全进入亚巨星阶段）的年龄甚至为120亿年（有观点认为是138亿年，逼近宇宙年龄）以上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.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.、HD 16784（F2III，虽然是巨星但是年龄高达113.5亿年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.）。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.Sahin T , Bilir S .On the Origin of Metal-poor Stars in the Solar Neighborhood[J]. 2020.DOI:10.3847/1538-4357/aba2d2.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类似的著名案例还有下台二A (大熊座ξA)（下台二系统实际上是F8.5V+G2V），该F8.5V的恒星的理论寿命也与太阳相当。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但是这些往往都是厚盘老年恒星群中的严重贫金属丰度的恒星，即现存年龄极长的F型主序星全都是在宇宙早期阶段形成的，几乎普遍为第二代恒星，那个时候的宇宙根本就没有能力生成高金属丰度的F型主序星，且由于金属丰度极低会大幅提高同等质量恒星的表面温度，从而使得一些质量上显著小于太阳的恒星在光谱上反而符合F型主序星的特征。理论上，质量只比太阳略大的高自转富金属恒星也一样可以把寿命延长到比太阳更长，但由于整个宇宙的恒星平均金属丰度的演化需要较长的时间，目前这些恒星还比较年轻，难以直接证伪其理论寿命（可以参考的一个案例是HD 162826，质量是太阳的1.17倍，金属丰度只比太阳高一点、自转很慢，年龄约45亿岁，光谱为F8V，和太阳起源于同一片星云、仍然处在主序星中期阶段，没有热木星且可能存在宜居带行星；另一个可以参考的案例是WASP-76，质量是太阳的1.28倍，金属丰度有争议、一些较新研究认为可能为太阳的2.5倍左右但恒星自转较慢，光谱为F7V，年龄为53—60亿岁且照样处在主序星中期阶段，有热木星WASP-76b）WASP-76 Overview。

 宜居性 

不同于G型恒星，在此处假设生命形式所要面对的主要难题是更强烈的光线辐射和平均更短的恒星寿命；F型恒星的电磁辐射能量峰值波段比G型恒星更短，紫外辐射远超G型恒星；因此从长远来看，这会对DNA分子产生深远的负面影响，从而阻碍生命的延续。如果处于其宜居带的行星或卫星恰好拥有一层稠密的大气和臭氧圈，那么理论上生命可以在星球表面得到发展，只是生存空间可能会相对局限于水下或者陆地洞穴中。但21世纪的新研究表明，紫外辐射是一把双刃剑，过强会破坏生态系统，过弱则不能驱动复杂有机物等的产生与演化（中等质量恒星的紫外辐射强于小质量恒星反而可能加速分子变异，甚至还可以给生命直接提供光解、体内合成特定分子的额外能量来源）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.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.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.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-477353Ahlers 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.，只有0.8倍太阳质量至1.8倍太阳质量的恒星的紫外宜居带和可见光宜居带能够重合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.。2022年的新研究则指出，F型主序星和A型主序星的高速自转会导致重力昏暗，恒星的赤道面的重力减弱的同时，该面向的温度和辐射也显著低于恒星的两极面（且恒星表层的赤道半径会拉长，变成扁球形），行星轨道通常都在恒星的赤道面而非两极面，也可以减轻宜居带星球的紫外辐射，使其更加适合陆地生物居住（紫外宜居带和可见光宜居带重合的质量上限延展到太阳的2.2倍左右）。

F型主序星的恒星风和耀斑活动对宜居带星球的破坏也都程度较轻（好于O、B、G、K、M型主序星，仅次于非磁性的A型主序星，虽然恒星金属丰度高和自转速度快也会加重恒星风但对A/F星等程度较轻，毕竟宜居带较为遥远且恒星基础活动偏温和，只要恒星磁场不是很强就不要紧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.Wood, B. E., Müller, H.-R., Redfield, S., & Edelman, E. 2014, ApJ, 781, L33 [NASA ADS] [CrossRef] [Google Scholar]Vidotto, A.A. The evolution of the solar wind. Living Rev Sol Phys 18, 3 (2021). https://doi.org/10.1007/s41116-021-00029-wWood 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.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.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.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.）。而对于类似于地球现代的大气层，F型主序星的紫外辐射在可以承受的范围内；但是在大氧化事件之前（低 O₂，也意味着臭氧层比现在更薄），F型主序星的辐射剂量既可能促进前生物化学的发展（F型主序星的宜居带比G/K/M型主序星要宽广，且一些观点认为F型主序星的紫外宜居带与可见光宜居带的重合度是所有主序星中最高的），也可能加剧生物损伤，取决于具体时段与大气成分。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.

 参见 

 恆星演化
 恒星光谱
 太陽相似體
 G型主序星
 A型主序星

 參考資料 


Category:主序星