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1、第三章 致密星,3.1 白矮星3.2 中子星3.3 黑洞,3.1 白矮星 (white dwarfs),1. 发现 天狼星（Sirius）双星，Porb= 50 yr 天狼A：mv =1.45m，Mv = 1.4m 天狼B：mv = 8.68m，Mv = 11.6m Teff = 2.6104 K R5108 cm 轨道运动 M = 1.05 M = 3.8106 gcm-3,Sirius in optical and X-ray,2. 白矮星基本特征 在H-R图白矮星位于主序带的左下方,球状星团M4中的白矮星,形成,光度与光谱：绝对星等Mv 8m-16m，有效温度Teff 5103- 410
2、4 K.光谱分类DC、DO、DBDM.,结构： 质量M 0.2-1.1 M（平均 0.6 M） 半径R 5108-109 cm 密度105-107 gcm-3 自转周期 P10 sec,2. 简并电子气与Chandrasekhar极限 (1) 简并电子气 高温 原子电离 自由电子 高密 电子简并 简并电子压力（Pauli不相容原理） Pe = nvp 由测不准原理，电子的动量p p h/x h/(V/N)1/3 (N/V)1/3 非相对论性情形 ：Pe np2 (N/V)5/35/3 相对论性情形 ：Pe ncp 4/3,质量越大，半径越小 !,压力 dP/dR P/R 5/3/R M5/3/
3、R6,引力 gM/R2 M2/R5,(2) 质量-半径关系,dP/dR P/R 4/3/R M4/3/R6,gM/R2 M2/R5,(3) Chandrasekhar极限,对高质量白矮星，简并电子气是相对论性的。 随着质量增大，引力比压力增大得更快 白矮星质量上限（Chandrasekhar极限质量） 对He白矮星，Mch1.44 M 对CO白矮星，Mch1.4 M,为什么只有小于 8M 的恒星才能形成白矮星?,3.2 中子星 (neutron stars),1. 中子星研究简史 1054年中国北宋天文学家发现金牛座客星（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
4、天关东方可数寸，岁余稍没。 宋会要： 嘉祐元年（1056年）三月，司天監言：客星没，客去之兆也。初，至和元年（1054年）五月，晨出東方，守天关，书见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。,1932年L. D. Landau预言简并中子流体的存在。 1934年W. Baade和F. Zwicky预言超新星爆发产生中子星 (?)“supernovae represent the transitions from ordinary stars into neutron stars, which in their final stages consist of extremely closely
5、packed neutrons.”PHYSICAL REVIEW, VOL. 4, JANUARY 15, 1934,Neutron Star in 3C 58,1939年J. R. Oppenheimer计算出第一个中子星理论模型。 1967年J. Bell发现第一颗射电脉冲星 PSR 1919+21. 1968年T. Gold提出旋转中子星的脉冲星模型。 1968年探测到船帆座超新星遗迹和蟹状星云中的脉冲辐射。 1971年Uhuru卫星探测到第一颗X射线脉冲星Cen X 3. (半人马座),2. 中子星的形成,中子的形成URCA过程（逆衰变） 当电子处于简并态时，第二步反应受到Pauli不
6、相容原理的抑制。电子数减少 电子简并压降低 加速核心坍缩 中子数增加 原子核结合能降低 当n= 41011 gcm-3, 中子从原子核中滴出 当n= 1014 gcm-3, 原子核瓦解，形成中子海洋,表层大气 cm 外壳1 km, 固态金属（Fe, e-）。 内部：超流中子和超导质子。 核心：超子/奇异物质？,3. 结构,特征质量M 1.4 M, 半径R 10 km 由外向内依次为：,中子简并压,重力,4. 中子星的质量上限,质量半径关系：中子星的质量越大，半径越小。 Oppenheimer极限质量：2-3 M,5. 射电脉冲星 (radio pulsars),(1) 发现 1967年剑桥大学
7、穆拉德射电天文台研究生Jocelyn Bell 利用A. Hewish领导研制的射电望远镜发现了第一颗射电脉冲星PSR 1919+21， 脉冲周期P1.3373 sec。,1968年发现位于船帆座（Vela Nebula）超新星遗迹中的脉冲星PSR 0833-45和蟹状星云（Crab Nebula）中的脉冲星PSR 0531+21，脉冲周期分别为89 ms和33 ms.,Crab pulsar off and on,Vela pulsar,(2) 主要特征,数目超过1200颗。 集中分布在银道面附近。 脉冲周期 1 ms-10 s, 随时间缓慢增长（周期导数10-19-10-13 ss-1）。
8、 单个脉冲高度偏振 强磁场 大部分为单星，约40颗位于双星系统中。,(3) 物理模型倾斜自转磁中子星,确定致密天体性质 脉冲持续时间 100 ms 辐射源大小 ct 3 10100.13109 cm 白矮星或中子星 脉冲的规则性 恒星整体运动,致密天体的周期运动与脉冲辐射,脉冲星自转磁中子星 脉冲周期 = 自转周期 恒星坍缩时角动量守恒 辐射能源：中子星转动能 能损率 蟹状星云脉冲星 4.71038 ergs-1蟹状星云辐射功率11038 ergs-1,辐射机制 磁偶极辐射 磁场强度 108-1012 G 快速自转 + 强磁场 强电场 加速带电粒子（沿磁力线向外运动） 曲率辐射 高能光子 e的
9、产生和湮灭 次级光子 次级e的产生和湮灭 射电辐射,灯塔效应 强磁场 辐射呈束状 倾斜转子 辐射周期性扫过观测者产生脉冲图样,(4) 研究进展,广义相对论验证 1974年R. Hulse和 J. Taylor发现双星射电脉冲星PSR 1913+16（1995年获Nobel物理学奖）。P = 59 ms，Mtot = 2.8 M (双中子星)，Porb = 7.75 hr与广义相对论的预言一致：双星中子星绕转 引力波 能量和角动量损失 双星轨道收缩,脉冲星和行星系统 1994年A. Wolszczan发现PSR 1257+12的行星: M = 3.9 M, Porb= 67 d; M =3.2
10、M, Porb= 98 d,中子星和奇异星（Neutron stars and strange stars）,3.3 黑洞 (black holes),引力半径（gravitational radius） 在引力半径Rg内的光子无法逃逸。 对Schwarzschild黑洞（不转黑洞），Rg = Rs（Schwarzschild半径） = 3 km (M/M) 天体的致密程度可以用Rs /R表示。,恒星级黑洞: 10 M星系核中的巨型黑洞: 10 6 10 10 M中等质量黑洞: 10 3 M原初(微型)黑洞: 10 17 M ,无观测证据,不同尺度黑洞系统的相似性:不同波段辐射的关联、光变（X射线闪耀、QPO）、喷流、铁线，等等 AGN与微类星体(Microquasar):吸积与喷流的连接，射电喷流的视超光速运动，等等类星体、微类星体、暴,
