第九章 天體物理學(xué)的新發(fā)展(簡(jiǎn)介.ppt

1、第九章 天體物理學(xué)的新發(fā)展(簡(jiǎn)介),德國(guó)哲學(xué)家康德說過：“世界上有兩件東西能夠深深地震撼我們的心靈：一件是我們心中崇高的道德準(zhǔn)則；另一件是我們頭頂上燦爛的星空”。,版權(quán)所有 復(fù)制必究,高等教育出版社,物質(zhì)結(jié)構(gòu)按其空間尺度和質(zhì)量大小可分為微觀、宏觀和宇觀三大層次。在宇觀層次中，是包括從小行星開始，經(jīng)過行星，恒星，星系，星系團(tuán)，超級(jí)星系，直到可觀察的宇宙。 和電磁相互作用不同，萬有引力相互作用不能屏蔽和中和，所以隨著質(zhì)量的增加，逐漸成為占支配地位的相互作用。,60年代以來宇觀領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)，性質(zhì)，規(guī)律和演化已逐漸成為近代物理學(xué)研究的基本問題和前沿問題。 本章將著重介紹當(dāng)前人們所關(guān)心的天體物理學(xué)方面的一

2、些新的進(jìn)展。,9.1 夜晚的天空為什么是黑暗的？,早在1720年到1823年期間英、法、德三國(guó)各有一位天文家(分別是哈雷，切西亞赫，奧爾勃斯)提出了如下命題：如果恒星大體上均勻分布于無限的宇宙空間，我們從任何一個(gè)方向上去看，總會(huì)看到一顆星，因而總是亮的，而不是黑暗的。換句話說，夜晚的天空到處都應(yīng)該同太陽表面一樣明亮！但事實(shí)遠(yuǎn)非如此。后來這命題被稱為“奧爾勃斯佯謬”。,1.一種解釋 1946年，哈里森研究指出，在上述命題中，一個(gè)根本的錯(cuò)誤是假定了恒星一直在發(fā)光。實(shí)際上一個(gè)恒星從星際彌漫物質(zhì)中開始形成，到發(fā)光，到內(nèi)部核燃料燒完，最后恒星演化歸宿到白矮星、中子星(見9.3)或星洞。從生到死有一定壽命

3、。一般估計(jì)恒星發(fā)光壽命約t*100億年(1010年)，它遠(yuǎn)比光離開恒星表面后到波吸收所所經(jīng)過的平均時(shí)間 (約1023年)小得多(t* )。,哈里森的計(jì)算表明：不考慮恒星有壽命時(shí)，星光傳到我們所在處疊加起來的總的輻射能量密度u等于一顆恒星表面的輻射能量密度u*?？紤]到有壽命時(shí)，則： 可見u很小，觀察不到。,2. 另一種解釋 1964年也發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射充滿宇宙空間，相當(dāng)溫度T 3K的黑體輻射。假如我們認(rèn)為這種背景輻射就是來自宇宙一切黑體貢獻(xiàn)的總和，則由黑體輻射能量密度公式，可估計(jì)u值： 其中T 4為黑體的總輻射本領(lǐng)(見6-1-5式)。,也可用 求得恒星表面的u*值，取 T*6000K(太陽表

4、面溫度)可得： 兩種估計(jì)大致相符，這恐怕不是偶然的。,9.2 宇宙大爆炸理論，哈勃紅移，宇宙微波背景輻射及其他,1. 宇宙大爆炸理論 1948年物理學(xué)家伽莫夫首先提出：宇宙是從一個(gè)高寬度的火球爆炸開始的。但直到20世紀(jì)60年代初還很少有人相信。當(dāng)時(shí)的一個(gè)主要根據(jù)是哈勃紅移。孩子到1965年3K微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，才使上述假設(shè)逐步發(fā)展成為被公認(rèn)的理論。 大爆炸理論基本思想大致如下：,約在距今137億年前，爆炸從一個(gè)密度無限大的奇點(diǎn)開始約10-35s后，后一個(gè)特別快速的膨脹過程(稱暴脹 )，當(dāng)膨脹變慢后，宇宙充滿了夸克和電子等基本粒子到10-6s時(shí)，夸克結(jié)合成中子和質(zhì)子等強(qiáng)子，他們約在3分鐘后形成

5、原子核約38萬年后，宇宙以冷卻到溫度為4000K左右，質(zhì)子能俘獲電子而形成中性的氫原子，這時(shí)原來從大爆炸產(chǎn)生的光子開始自由地運(yùn)動(dòng)而充滿宇宙空間50億年后，星系形成，太陽系形成100億年后，宇宙溫度冷卻到2.7K，出現(xiàn)人類活動(dòng)。(見下圖),2. 大爆炸理論的5個(gè)依據(jù),哈勃紅移1929年起，科學(xué)家測(cè)得遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光譜線普遍存在一種“紅移”現(xiàn)象，稱哈勃紅移。這是由于恒星以速度v遠(yuǎn)離地球所造成的。根據(jù)多普勒效應(yīng)，光源遠(yuǎn)離地球時(shí)，地球上的觀察者測(cè)得的表現(xiàn)頻率將減小，即波長(zhǎng)增大，成為紅移。紅移量定義為： e為地球上測(cè)得的同種物質(zhì)的譜線波長(zhǎng)。利用(8-3-19)式 ，可得相對(duì)論計(jì)算結(jié)果(讀者自證)；,目前

6、測(cè)到最遠(yuǎn)的Z=10，即v/c=0.9836。 哈勃紅移給人們描繪了一幅宇宙膨脹的圖像，是對(duì)宇宙大爆炸假設(shè)的第一個(gè)支持論據(jù)，哈伯發(fā)現(xiàn)紅移量Z與恒星離地球距離R成比，有哈勃紅移公式： Z=HR=(H0/C)R 其中H0為哈勃常數(shù)。,(2) 1965年3K微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，也是大爆炸理論的有力論據(jù)。兩位發(fā)現(xiàn)者：美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師彭齊亞斯和威爾遜也因此獲得了1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 1989年利用COBE衛(wèi)星進(jìn)一步測(cè)得了宇宙背景溫度為： T=2.725K,2001年美國(guó)航天中心發(fā)射宇宙飛船把“微波各項(xiàng)異性探測(cè)器”(MAP)帶入太空，進(jìn)一步測(cè)量了宇宙背景輻射的各向異性和偏振性質(zhì)。認(rèn)為由 測(cè)量結(jié)果

7、證明了以下幾個(gè)事實(shí)(見頁注)： (1) 宇宙年齡約13.7109年 (2) 宇宙的空間時(shí)間性質(zhì)是平坦的 (3) 哈勃常數(shù)等于71kms-1Mpc-1 (4) 宇宙成分中，普通物質(zhì)只占4%，另有23%的“暗 物質(zhì)”，73%的“暗能量”，后二者至今不明(見9-7) (5)在大爆炸后約2億年，就出現(xiàn)了最早的恒星。,(3) 第三個(gè)證明是宇宙的可見物質(zhì)主要是氫和氦，約3/4是氫，1/4是氦，與理論估計(jì)相符。 (4) 第四個(gè)論據(jù)是關(guān)于恒星和星系的演化，1990年升空至今的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已能看到100億光年外的天體，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)那些遙遠(yuǎn)的星很少有重元素，正符合大爆炸理論的預(yù)言。 (5) 在上節(jié)中哈里森在計(jì)算時(shí)已

8、考慮了一個(gè)在時(shí)間上有限膨脹的宇宙模型和恒星的演化，合理地解釋了夜晚的天空為什么是黑暗的，也可算是支持大爆炸理論的第五個(gè)論據(jù)。,9.3 白矮星和中子星,1. 恒星演化的三種歸宿 白矮星、中子星和黑洞(9-7)是恒星演化的三種歸宿。 恒星在穩(wěn)恒的核燃燒階段時(shí)，氫不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぜ案氐脑?，灼熱氣體的向外壓強(qiáng)與向內(nèi)收縮的引力達(dá)到平衡。穩(wěn)恒階段為恒星的“壯年期”。迄今發(fā)現(xiàn)的恒星有90%處“壯年期”。,一旦恒星內(nèi)核燃料燒完，引力將引起形體進(jìn)一步收縮，便會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放巨大能量，表現(xiàn)為一次超新星爆發(fā)，程度可達(dá)108K。開始由三個(gè)氦聚變?yōu)樘?，并繼續(xù)合成較重元素。最后留下一個(gè)“殘骸”，即一個(gè)核心。這個(gè)核心就是

9、恒星的歸宿，有三種可能，這與恒星形成時(shí)的初始質(zhì)量M初及核心的質(zhì)量Mcore的大小 有關(guān)，見下表：,2. 具體說明,(1) 當(dāng)恒星開始時(shí)M初8M(太陽質(zhì)量)時(shí)，爆發(fā)后留下一個(gè)“白矮星”，其核心質(zhì)量Mcore的上限為1.4M。它的大小同地球差不多，半徑僅太陽的1%(所以稱“矮”)。 (2) 當(dāng)Mcore超過1.4M而小于3M時(shí)，電子便頂不住引力了，于是由過程e+pn+,形成中子和中微子，后者跑掉，留下一個(gè)核心，它是一顆中子星。星的直徑只有1020km,密度高達(dá)31017kg/m2像一個(gè)巨大的原子核。,1967年發(fā)現(xiàn)了第一顆中子星脈沖星PSR1919。脈沖信號(hào)的周期T=1.337s，即中子星的自轉(zhuǎn)周

10、期。(見下圖)至今發(fā)現(xiàn)的600多顆中子星都在銀河系之內(nèi)。,(3) 當(dāng)恒星開始形成時(shí)質(zhì)量大于25M ，且Mcore超過3M ，就沒有一種已知的力可一定得住引力了，此核心將是一個(gè)黑洞。,9.4 宇宙中的X射線源 在天體物理研究中，宇宙X射線的測(cè)量極其重要，X射線天文學(xué)得到了發(fā)展，下面做一些介紹,1.X射線天文學(xué)的基本困難,(1) 來自宇宙的X射線幾乎都被地球的大氣層吸收，必須在高空中才能探測(cè)到宇宙X射線。 (2) 很難從X射線探測(cè)器獲得確定方向的信息，即難以將探測(cè)到X射線與任何已知的星體對(duì)應(yīng)。為此要求有相當(dāng)高的角分辨率。,2. X射線探測(cè)器的發(fā)展和一系列成果,1920年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了X射線的折射確實(shí)

11、存在，盡管它的折射率非常接近1，到20世紀(jì)中葉，“X射線顯微鏡”制成了。1960年賈科尼(在一家美國(guó)科學(xué)和工程公司工作)和著名宇宙線物理學(xué)家羅西合作，制成了“成像X射線望遠(yuǎn)鏡”，與1962年發(fā)現(xiàn)了太陽之外的X射線源。之后又不斷發(fā)現(xiàn)新的X射線源，包括在銀河系之外的X射線源。 1970年在賈科尼建議下制造的X射線人造衛(wèi)星上天，1977-78年又發(fā)射了兩顆衛(wèi)星，稱高能天體物理實(shí)驗(yàn)室。其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)室又稱愛因斯坦X射線實(shí)驗(yàn)室，由賈科尼領(lǐng)導(dǎo)。此衛(wèi)星上載有成像X射線望遠(yuǎn)鏡，角分辨率達(dá)到2”，且靈敏度高視野廣。,獲得了一系列研究成果：如發(fā)現(xiàn)了星體大爆炸的殘??；發(fā)現(xiàn)了從晚年星體發(fā)射出的X射線與星體的轉(zhuǎn)動(dòng)及星體外

12、層的對(duì)流有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性；發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)狀的X射線源(類星體)；找到了300多個(gè)星系團(tuán)，從而提供了宇宙中有發(fā)射X射線而不發(fā)射可見光的暗物質(zhì)存在的新證據(jù)等等。2002年賈科尼一起開創(chuàng)性工作和杰出貢獻(xiàn)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,9.5 射線暴,1. 什么是暴 對(duì)突發(fā)性X射線源的觀察導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)來自非常遙遠(yuǎn)星系的能量更高的射線暴。它是射線突然增強(qiáng)的短時(shí)間爆發(fā)現(xiàn)象。 2. 暴有如下一些特點(diǎn)： (1) 射線能量主要在幾個(gè)keV到幾個(gè)MeV范圍，一直衍射到高能(GeV以上)。 (2) 暴持續(xù)時(shí)間T最典型的是20s左右，也有短到幾毫秒長(zhǎng)到幾十分的。其隨時(shí)間呈復(fù)雜的多峰結(jié)構(gòu)，有明顯變化的時(shí)間T在毫秒左右。,(3) 暴空間分布是各

13、向同性的，但越遠(yuǎn)越少。這表明暴的源是遠(yuǎn)距離天體，不是銀河系內(nèi)天體。如1997年5月8日測(cè)到一個(gè)暴，紅移量為Z=0.835，用哈勃紅移公式可得離地球距離R100億光年。 (4) 暴是極強(qiáng)的源，例如1999年發(fā)現(xiàn)的一個(gè)暴Z1.6，紅移量更大，即更遙遠(yuǎn)。在輻射是各向同性假設(shè)下，估計(jì)它在100秒內(nèi)放出的總能量高達(dá)3.41047J。這意味著暴的源一定是與中子星類似的致密天體。,暴的巨大能源集中在空間尺度不過100km的范圍，它被認(rèn)為是一個(gè)“火球”。在火球模型研究方面中國(guó)科學(xué)家陸土炎和戴子高等有重要貢獻(xiàn)。 (5) 暴得能量輻射不是各向同性的，而集中在張角不超過4的錐形噴注之內(nèi)。也就是我們看不到的暴應(yīng)為看到

14、的1000多倍。同時(shí)上面估計(jì)的暴能量太高了，應(yīng)降為1044J。,3. 還有不少有關(guān)暴的問題有待研究,如噴注及輻射形成的機(jī)制是什么？為什么噴注張角如此之??？為什么暴離我們?nèi)绱酥h(yuǎn)，與X射線源的分布(遍及宇宙各處)和中子星分布(大量在銀河系內(nèi))完全不同？等等。,9.6 黑洞,一、黑洞及其視界 1. 什么是黑洞 1783年英國(guó)科學(xué)家米歇爾最早提出：最重的東西可能是看不到的，因?yàn)楣獠ㄋM(jìn)去而逃不出來了。這個(gè)重的東西就是黑洞。在9.3中已提到恒星的質(zhì)量M初大于25M，“死亡”時(shí)留下的核心質(zhì)量超過3M時(shí)，就是黑洞。,2. 一個(gè)判別公式,在第二章中(2-4-4)給出了一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體要脫離地球表面引力所需的最

15、小速度(即第二宇宙速度)為： 顯然，當(dāng)M很大，R很小時(shí)，V2將超過光速(這不可能)，這表明此物體就不可能脫離重物M而逃出。也就是，一個(gè)質(zhì)量為M的圓球，且半徑R滿足： 時(shí),則以速度c運(yùn)動(dòng)的光也將被引力彎曲,而吸回去。反之任何射向此天體的物體或光子,都將被吸收,有進(jìn)無出，這類天體成為黑洞。例太陽質(zhì)量為M,對(duì)應(yīng)rG =3km，即太陽要被壓縮到半徑為3km時(shí)才成為黑洞。,3. “黑洞不黑”。,英國(guó)科學(xué)家霍金于1974年首先證明：一個(gè)質(zhì)量為M的黑洞，會(huì)自動(dòng)地在視界(半徑rG處)表面外側(cè)發(fā)出各種粒子，這些粒子具有熱輻射譜，相同一個(gè)溫度T，它等于： 霍金輻射極其微弱，一般可忽略不計(jì)。但隨黑洞質(zhì)量不斷減小。溫

16、度會(huì)急劇上升，輻射越來越強(qiáng)，直至黑洞消失為止。,二、小黑洞恒星演化的一種結(jié)局,中子星與黑洞是恒星的兩種結(jié)局。中子星在觀測(cè)上表現(xiàn)為脈沖星，且有嚴(yán)格的周期性可觀測(cè)到。黑洞怎樣才能被發(fā)現(xiàn)呢？由于中子星和黑洞都有可能性與一個(gè)“伴星”組成“雙星系統(tǒng)”，于是科學(xué)家就有可能通過能發(fā)光的伴星的軌道，周期和譜線來分析發(fā)現(xiàn)看不見的主星黑洞，從伴星發(fā)生輻射譜線的引力紅移可以計(jì)算出黑洞的質(zhì)量。目前在銀河系內(nèi)至少有10個(gè)事例已被認(rèn)定與“黑洞”對(duì)應(yīng)。,如1998年9月由一顆測(cè)X射線的人造衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“黑洞雙星系統(tǒng)”，正在發(fā)射出一左一右一對(duì)X射線噴注。后由于進(jìn)入了密集的星系介質(zhì)(云)而被減速，正在黯淡下來。 2002年1

17、1月由哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)在銀河系內(nèi)離地球60009000光年的天蝎座內(nèi)有一黑洞正在以112km/s的高速穿越銀河面，向我們飛來，它的伴星是一顆衰老的恒星。 以上兩事例可認(rèn)為是支持恒星演化理論的有力證據(jù)。,三、大黑洞星系和類星體有聯(lián)系嗎?,1. 存在大黑洞 經(jīng)過1990年哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)30多個(gè)星系的仔細(xì)觀察和比較研究，越來越多的天文學(xué)家傾向于相信：在宇宙大爆炸后，由于某種至今不明的原因，先產(chǎn)生較小的“黑洞”作為種子，約1億年左右，在他們周圍開始有星形成，繼續(xù)吸積物質(zhì)而長(zhǎng)大成為原始星系。后者又相互合并，在它們中央形成超大型的“黑洞”(質(zhì)量可達(dá)1061010M)，黑洞作為發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生巨大的能量，表現(xiàn)為特別明

18、亮的類星體?，F(xiàn)在看到的最遠(yuǎn)的類星體約相當(dāng)于大爆炸后109年產(chǎn)生，它們?cè)卺尫糯罅磕芰恐?，演化為散布在宇宙各處的星系，在每個(gè)星系中央潛伏著一個(gè)逐漸衰老的巨大黑洞，在其周圍已經(jīng)沒有多少恒星可供它“吞食”了。,2. 觀察的重要性,然而問題遠(yuǎn)未解決，有許多為什么可提出來，怎么辦?正如研究黑洞的著名科學(xué)家J.Kormerdy所說：“從這些材料向清楚的唯一道路是靠觀察。古希臘哲學(xué)家爭(zhēng)取相反的做法，他們總是坐著不斷地想，結(jié)果絕大部分想出來的東西都是錯(cuò)誤的。然而也有幾個(gè)人實(shí)際地向天空去看，他們才是僅有的幾個(gè)走正確道路的人”。,9.7 暗物質(zhì)與暗能量之謎,一、天體距離和哈勃常數(shù)的測(cè)定 本節(jié)介紹了“天文距離的梯級(jí)

19、測(cè)定法”中由近至遠(yuǎn)的各種測(cè)量方法： (1) 對(duì)較近星；用三角學(xué)的視差方法，R可達(dá)1.34108光年。 (2) 利用造父變星作為“標(biāo)準(zhǔn)燭”，把測(cè)量距離推到30Mpc。 (3) 利用星系的整體性質(zhì)，推到150Mpc。 (4) 利用超新星爆炸，推到400Mpc。,用各種方法的結(jié)果取加權(quán)平均后，目前哈勃常數(shù)的公認(rèn)值為： 這個(gè)數(shù)值適用范圍從70Mpc1000Mpc。更遠(yuǎn)距離上，哈勃定律的線性關(guān)系便不再保持了。 二、宇宙年齡與膨脹是加速還是減速有關(guān) 目前通過對(duì)球狀星團(tuán)觀測(cè)分析給出的宇宙年齡至少為1.121010年，這與用勻速膨脹估計(jì)出的(1.360.15) 1010年和用減速膨脹估計(jì)的9109年都不相符。

20、,三、宇宙膨脹，平坦性與物質(zhì)密度的關(guān)系,1. 三種膨脹情況 在假設(shè)宇宙在空間上各向同性，物質(zhì)密度又是均勻的條件下，弗里德曼通過求解愛因斯坦場(chǎng)方程得出了宇宙膨脹的三種可能與密度的大小密切有關(guān)。先定義一個(gè)臨界密度 再定義一個(gè)量m=/ c (1) c m1,宇宙半徑先膨脹，后收縮為零，表明宇宙是封閉的，時(shí)空曲面有正曲率。 (2) =c m=1,宇宙將一直膨脹下去，但時(shí)空是平坦的，曲率為零(也屬開放宇宙)。 (3) c m1,宇宙將加速膨脹，它將是一個(gè)具有負(fù)曲率的開放宇宙。,2.到底多大？科學(xué)家從已發(fā)現(xiàn)的可發(fā)(可見)光的星和星際物質(zhì)分布估計(jì) 410-31g/cm30.4c，所以宇宙加速膨脹。真的這么小

21、嗎?實(shí)際要大得多。,四、暗物質(zhì)存在的證據(jù)和迷惑,1. 暗物質(zhì)存在的證據(jù) (1) 1937年天文學(xué)家茲維克首先從星系運(yùn)動(dòng)的分析中發(fā)現(xiàn)了“暗物質(zhì)”的存在。例如：可考察銀河系發(fā)光盤面外，位于離中心r1遠(yuǎn)處有一顆恒星，質(zhì)量為m1，其作圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度由全部星系的質(zhì)量M(r1)對(duì)它的萬有引力提供，即有,再看在r2(r2r1)處的一顆恒星的運(yùn)動(dòng)，有 假定在r1與r2之間空間基本上是沒有物質(zhì)，即M(r1) M(r2) ，則可得出u2(r2)u1(r1)的結(jié)論。但實(shí)際上 u2(r2) 與u1(r1)差不多，這表明M(r2) M(r1) ，即在r1 和r2之間的空間中存在大量不發(fā)光的“暗物質(zhì)”。,(2) 第二個(gè)證據(jù)是“引力透鏡效應(yīng)”：一個(gè)類星體發(fā)出的光在到達(dá)地球的途中若遇到合適的星系(或星系團(tuán))