第三篇太陽(yáng)和恒星世界致密天體

第三篇太陽(yáng)和恒星世界（4）

—致密天體

§1白矮星§2中子星§3黑洞§1白矮星(whitedwarfs)白矮星是一種低光度、高密度、高溫度的恒星。因?yàn)樗念伾拾咨Ⅲw積比較小(矮)，因此被命名為白矮星

；最早被發(fā)現(xiàn)的白矮星是天狼星伴星,它的體積比地球大不了多少，但質(zhì)量卻和太陽(yáng)差不多；目前人們已經(jīng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的白矮星有1000多顆；白矮星的質(zhì)量上限是1.44M⊙。1.白矮星的發(fā)現(xiàn)天狼星(Sirius)移動(dòng)軌跡的波浪形1844年，F(xiàn).Bessel推測(cè)存在一個(gè)看不見(jiàn)的伴星1862年，Clark觀測(cè)證實(shí)，天狼星是一個(gè)雙星系統(tǒng)1915年，W.Adams拍攝Sirius-B的光譜藍(lán)白色熱星，光度只有天狼星的千分之一天狼星（Sirius）雙星，Porb=50yr天狼A：mv

=－1.45m，Mv=1.4m

天狼B：mv

=8.68m，Mv=11.6m

Teff

=2.6×104K→R≈5×108cm軌道運(yùn)動(dòng)→M=1.05M⊙→ρ=3.8×103kgcm-3

SiriusinopticalandX-ray2.白矮星基本特征在H-R圖白矮星位于主序帶的左下方

球狀星團(tuán)M4中的白矮星形成主序星紅巨星行星狀星云白矮星黑矮星結(jié)構(gòu)：質(zhì)量：M~0.2-1.1M⊙（平均~0.6M⊙）半徑：R~5×103-104km密度：ρ~102-104kgcm-3

自轉(zhuǎn)周期：

P≥10sec3.簡(jiǎn)并電子氣與錢德拉塞卡Chandrasekhar極限(1)簡(jiǎn)并電子氣高溫→原子電離→自由電子高密→電子簡(jiǎn)并→簡(jiǎn)并電子壓力（Pauli不相容原理）Pe=nvp由測(cè)不準(zhǔn)原理，電子的動(dòng)量p~△p~h/△x~h/(V/N)1/3~(N/V)1/3

非相對(duì)論性情形：Pe~np2~(N/V)5/3~ρ5/3

相對(duì)論性情形：Pe~ncp~ρ4/3泡利不相容原理能級(jí)1能級(jí)2自旋向下自旋向上客滿客滿質(zhì)量越大，半徑越小!壓力dP/dR~P/R~ρ5/3/R~M5/3/R6引力g~ρM/R2~M2/R5(2)質(zhì)量-半徑關(guān)系dP/dR~P/R~ρ4/3/R~M4/3/R6g~ρM/R2~M2/R5(3)Chandrasekhar極限隨著白矮星質(zhì)量增大和半徑減小，電子積壓在更小的空間內(nèi)，簡(jiǎn)并電子氣運(yùn)動(dòng)變成相對(duì)論性的?！S著質(zhì)量增大，引力比壓力增大得更快→白矮星質(zhì)量上限（Chandrasekhar極限質(zhì)量）對(duì)He白矮星，Mch≈1.44M⊙對(duì)CO白矮星，Mch≈1.4M⊙1932，朗道預(yù)言，1935錢德拉塞卡計(jì)算1983諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)太陽(yáng)質(zhì)量的白矮星白矮星的引力紅移白矮星表面引力場(chǎng)很強(qiáng)光子離開表面克服引力損失能量（光子的能量E=hν）能量減少，頻率降低波長(zhǎng)變長(zhǎng)譜線紅移引力紅移。引力紅移是由于引力場(chǎng)引起的，而多普勒紅移是由于光源的運(yùn)動(dòng)引起的。天狼星B（引力紅移89km/s）和波江40B（23.9km/s）的引力紅移的觀測(cè)值和理論預(yù)言符合廣義相對(duì)論的主要天文驗(yàn)證?！?中子星

(Neutronstars)1.中子星研究簡(jiǎn)史

1054年中國(guó)北宋天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)金牛座客星（超新星）《宋史．天文志》：宋至和元年五月己丑（1054年7月4日），客星由天關(guān)東方可數(shù)寸，歲余稍沒(méi)?！端螘?huì)要》：嘉祐元年（1056年）三月，司天監(jiān)言：客星沒(méi)，客去之兆也。初，至和元年（1054年）五月，晨出東方，守天關(guān)，書見(jiàn)如太白，芒角四出，色赤白，凡見(jiàn)二十三日。1932年L.D.Landau(朗道)預(yù)言簡(jiǎn)并中子流體的存在。1934年W.Baade（巴德）和F.Zwicky（茲維基）預(yù)言超新星爆發(fā)產(chǎn)生中子星(?) “…supernovaerepresentthetransitionsfromordinarystarsintoneutronstars,whichintheirfinalstagesconsistofextremelycloselypackedneutrons.”

PHYSICALREVIEW,VOL.4,JANUARY15,1934

1939年J.R.Oppenheimer（奧本海默）計(jì)算出第一個(gè)中子星理論模型。1967年J.Bell（貝爾）發(fā)現(xiàn)第一顆射電脈沖星PSR1919+21.1968年T.Gold提出旋轉(zhuǎn)中子星的脈沖星模型。1968年探測(cè)到船帆座超新星遺跡和蟹狀星云中的脈沖輻射。1971年Uhuru衛(wèi)星探測(cè)到第一顆X射線脈沖星CenX–3.1974年R.Hulse和J.Taylor發(fā)現(xiàn)雙中子星射電脈沖星PSR1913+161982年D.Backer等人首次發(fā)現(xiàn)毫秒射電脈沖星

2.

中子星的形成高質(zhì)量(>8-10M⊙

)恒星內(nèi)部的核反應(yīng)過(guò)程在恒星中心形成Fe核II型超新星爆發(fā)，F(xiàn)e核坍縮形成中子星，觀測(cè)為脈沖星

中子的形成—URCA過(guò)程（逆β衰變）當(dāng)電子處于簡(jiǎn)并態(tài)時(shí)，第二步反應(yīng)受到Pauli不相容原理的抑制。電子數(shù)減少→電子簡(jiǎn)并壓降低→加速核心坍縮中子數(shù)增加→原子核結(jié)合能降低→原子核易分裂當(dāng)ρn=4×1011gcm-3,中子從原子核中滴出當(dāng)ρn=1014gcm-3,原子核瓦解，形成中子海洋

3.中子星的質(zhì)量上限質(zhì)量－半徑關(guān)系：中子星的質(zhì)量越大，半徑越小。中子質(zhì)量是電子的1840倍，更高密度才簡(jiǎn)并，中子星半徑比白矮星小得多，特征半徑10-20km奧本海默極限質(zhì)量：中子星也應(yīng)有一個(gè)質(zhì)量上限。但由于不了解極高密度的物態(tài)，所以質(zhì)量的理論上限不確定，估計(jì)為～2-3M⊙。中子星質(zhì)量不超過(guò)3.2M⊙。4.射電脈沖星

(Radiopulsars)(1)發(fā)現(xiàn)

1967年劍橋大學(xué)穆拉德射電天文臺(tái)研究生JocelynBell利用A.Hewish（休伊什）領(lǐng)導(dǎo)研制的射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了第一顆射電脈沖星PSR1919+21，脈沖周期P＝1.3373sec。1968年發(fā)現(xiàn)位于船帆座（VelaNebula）超新星遺跡中的脈沖星PSR0833-45和蟹狀星云（CrabNebula）中的脈沖星PSR0531+21，脈沖周期分別為89ms和33ms.CrabpulsaroffandonVelapulsar(2)主要特征數(shù)目超過(guò)1200顆。集中分布在銀道面附近。脈沖周期~1ms-10s,隨時(shí)間緩慢增長(zhǎng)。

單個(gè)脈沖高度偏振→強(qiáng)磁場(chǎng)大部分為單星，約40顆位于雙星系統(tǒng)中。毫秒脈沖星1982年貝克教授和庫(kù)爾卡尼博士發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星PSR1937+214，周期最短，只有1.5578毫秒，自轉(zhuǎn)每秒600次！宇宙中的旋轉(zhuǎn)冠軍中子星為什么自轉(zhuǎn)那么快呢？Slow角動(dòng)量守恒FastI=(3)物理模型—傾斜自轉(zhuǎn)磁中子星輻射機(jī)制快速自轉(zhuǎn)+強(qiáng)磁場(chǎng)→強(qiáng)電場(chǎng)→加速帶電粒子（沿磁力線向外運(yùn)動(dòng)）→曲率輻射燈塔效應(yīng)強(qiáng)磁場(chǎng)→輻射呈束狀傾斜轉(zhuǎn)子→輻射周期性掃過(guò)觀測(cè)者產(chǎn)生脈沖圖樣米歇爾（1783年,英國(guó)）：一個(gè)質(zhì)量足夠大并足夠緊致的恒星，引力場(chǎng)將強(qiáng)大到連光線都不能逃逸任何從恒星表面發(fā)出的光還沒(méi)到達(dá)遠(yuǎn)處即會(huì)被恒星的引力吸引回來(lái)1969年美國(guó)科學(xué)家惠勒為描述這個(gè)思想提出了”黑洞”這一名詞.§3黑洞(blackholes)

1.廣義相對(duì)論和時(shí)空彎曲

1915年，Einstein發(fā)表廣義相對(duì)論(generalrelativity)物質(zhì)引力源時(shí)空彎曲(curvedspace)引力場(chǎng)強(qiáng)弱

時(shí)空彎曲程度例如：地球繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)可以認(rèn)為是它沿著太陽(yáng)周圍四維時(shí)空中的測(cè)地線運(yùn)動(dòng)。"mattertellsspacetimehowtocurve,andcurvedspacetimetellsmatterhowtomove"物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)!時(shí)空彎曲：Einstein'sTheoryofGeneralRelativity在越致密的天體附近，光線彎曲的程度越大。黑洞周圍的時(shí)空彎曲程度最大黑洞附近的時(shí)空天體太陽(yáng)白矮星中子星黑洞Rs/R10-5.410-410-11引力半徑（gravitationalradius）在引力半徑Rg內(nèi)的光子無(wú)法逃逸。對(duì)Schwarzschild黑洞（不轉(zhuǎn)黑洞），Rg=Rs=3km(M/M⊙)天體的致密程度可以用Rs/R表示。星體密度足夠大時(shí)，即使物體速度達(dá)到光速仍然不能從它的表面逃離.地球的Schwarzchild半徑：0.89cm2.Schwarzschild黑洞的基本性質(zhì)結(jié)構(gòu)中心奇點(diǎn)

(singularity)視界

(eventhorizon)

半徑為Rs的球面，

在視界內(nèi)的任何信息無(wú)法向外傳遞。光層

(photosphere)

半徑為1.5Rs的球面，各向同性輻射光子中的一半可以逃逸。黑洞的蒸發(fā)Hawkingradiation

真空正負(fù)(虛)粒子對(duì)負(fù)粒子被吸收→黑洞質(zhì)量減小正粒子逃逸→帶走能量黑洞能損率→黑洞壽命當(dāng)M=1M⊙,t＝1067yr；當(dāng)M=1015g,t＝1010yr宇宙極早期形成的小黑洞應(yīng)已經(jīng)蒸發(fā)掉.黑洞無(wú)毛發(fā)定理NoHairTheorem任何物體都有復(fù)雜性：如恒星的質(zhì)量、光度、大小、密度、磁場(chǎng)、化學(xué)組成黑洞是最簡(jiǎn)單的統(tǒng)一的整體，黑洞幾乎不保持形成它的物質(zhì)（一旦進(jìn)入視界，信息全無(wú)）所具有的任何復(fù)雜性質(zhì)，談?wù)摵诙磧?nèi)物質(zhì)的特性毫無(wú)疑義黑洞保持的物理參數(shù)只有質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷，描述黑洞的全部特征，NoHairTheorem。(“三毛定理”)3.黑洞的觀測(cè)證據(jù)恒星級(jí)黑洞途徑：搜尋質(zhì)量超過(guò)中子星質(zhì)量上限（~2-3M⊙）的致密星。確定致密天體性質(zhì)：X射線輻射、時(shí)變確定致密天體質(zhì)量：雙星軌道運(yùn)動(dòng)X射線雙星黑洞候選天體CygnusX-1強(qiáng)X射線源X射線輻射光變時(shí)標(biāo)~1ms →輻射天體尺度<108cm →中子星或黑洞X射線雙星氣體落入黑洞的過(guò)程中釋放引力勢(shì)能，加熱氣體，輻射大量x射線

超大質(zhì)量黑洞Supermassiveblackholes超大質(zhì)量黑洞（星系級(jí)黑洞）位于活動(dòng)星系核和正常星系中心，M~106-109

M⊙活動(dòng)星系M87核心黑洞質(zhì)量3x109

M⊙，

直徑數(shù)光周正常星系NGC4261：核心黑洞質(zhì)量1.2x109

M⊙，大小~太陽(yáng)系銀河系中心黑洞質(zhì)量

~106

M⊙科學(xué)家觀測(cè)到黑洞邊界物質(zhì)噴流觀測(cè)到兩星系合并迸射巨型黑洞科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中最大黑洞質(zhì)量為太陽(yáng)的180億倍銀河系中心人馬座SgrA*觀測(cè)

兩種方法:利用超大質(zhì)量黑洞對(duì)背景星的引力透鏡效應(yīng)通過(guò)測(cè)量很靠近SgrA*的幾顆恒星的加速度73Monday,May16,2011引力透鏡效應(yīng)，光線偏轉(zhuǎn)銀河恒星自行，測(cè)量恒星到SgrA*的距離和中心質(zhì)量S2繞轉(zhuǎn)銀心需花時(shí)15.56年10/12/2022xkong@