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1、西华师范大学公共选修课 天 文 学 概 论,第四讲 致密星,刘雄伟 物理与电子信息学院,恒星不永恒！,恒星质量不同，结局不同,初始质量（太阳质量） 演化结局 40 (超新星)黑洞,一、白矮星 二、中子星 三、黑洞,一、白矮星,1，白矮星的发现,天狼星的自行变化表明有伴星 1836年德国贝塞尔从多年的观测记录中，发现天狼星的自行呈波浪式的变化，并由此推断天狼星有一颗很暗的伴星，其质量与太阳相当，轨道周期约为50年。A星：天狼星 B星：天狼星伴星,1862年观测发现在天狼星附近有一个很小的光点，它就是天狼星的伴星，称为天狼B星，而天狼星则改称天狼星A。天狼星B光度比天狼星A弱1万倍，表面温度比太阳
2、的还要高。,发现天狼星伴星,为什么？,天文学规律：在温度相同的情况下，光度和恒星的表面积成正比的。 推出天狼星B的表面积特别小，直径只比地球的大一点。质量与太阳相当，密度大得不可思议（ 3.8 吨/立方厘米）！称之为白矮星 天狼星B是人类发现的第一颗白矮星,白矮星之谜：什么物质可以这么致密？是什么力与引力抗衡？,爱丁顿认为由于白矮星星内部的温度非常高，原子都被电离为电子和原子核，导致体积减少，密度增加，面积变小，往外辐射的总能量也随之减少。当时的天文学家并不认可。爱丁顿基本是正确的，但他并不知道，白矮星是靠什么力与引力相抗衡的。,2，白矮星是什么？,热核反应一停止，引力便占上风，恒星就要收缩，
3、直到有一种能与引力抗衡的力出现，才能使恒星稳定下来。这个力就是简并电子气的压力，简称简并压力。比通常的理想气体压力大得多。,电子简并压力与引力抗衡,高密度的电子气将由于量子效应（泡利不相容原理）而产生简并压力，压力随密度增加而增加。,理想气体物态方程与简并气体物态方程的区别理想气体：P ()RT 热压是密度和温度的函数简并气体：1.非相对论性2.相对论性简并压与温度无关,白矮星质量极限考虑到相对论效应 Mmax1.44太阳质量,钱德拉塞卡,质量越大，半径越小,3，白矮星基本观测特征,在H-R图上白矮星位于主序带的左下方 光度很底：绝对星等Mv 8m-16m 质量和太阳相当：M0.2-1.4 M
4、 半径和地球相当：R5108-109cm 密度很高：105-107gcm-3 自转周期：P10 sec,二、中子星,比白矮星更致密的天体,Lev Davidovich Landau(1908-1968),1932年，为了解决恒星能源问题，L. D. Landau 天才地预言了类似于中子星的致密天体,1.中子星的历史回顾,1932年， Chadwick 发现中子， 获得1935年诺贝尔物理学奖,James Chadwick (1891-1974),Walter Baade （1893-1960）,Fritz Zwicky （1898-1974）,1934年，W. Baade和F. Zwicky
5、预言超新星爆发产生中子星,1939年 Oppenheimer 和 Volkoff 计算出第一个中子星理论模型。他们假定中子星内部的物质是高密情况下的自由中子的理想气体。此后，对中子星的研究进入了三十年的低谷。,Oppenheimer 奥本海默, 美国原子弹计划主持人),1967年J. Bell 发现第一颗射电脉冲星,1967年剑桥大学研究生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 秒,1968年T. Gold提出旋转中子星的脉冲星模型， 得到公认。 人类目前已经探测到2000颗左右的脉冲星。,所有
6、的脉冲星是中子星， 但并非所有的中子星是脉冲星。,2.中子星的基本特征,中子星结构：中子星可以看成一个特大号的原子核。 由10 57 个核子构成,中子星的特殊性,质量大：1-2倍太阳质量 半径小：10公里 密度超高：平均达到 1014 g cm-3（1亿吨/立方厘米）！ 旋转快：最快的700多转每秒 磁场强： 1012 高斯四种基本作用力（引力、强力、弱力、电磁力）都有很极端的表现！,中子星可以简单地认为是以中子的简并压抗拒引力作用而达到静态平衡的自引力束缚系统。 极限质量：2-3倍太阳质量,中子星的质量半径关系,中子星的质量半径关系与白矮星类似： 质量越大，半径越小。,极限质量： 2 - 3
7、 M,脉冲星的发现,1967年剑桥大学研究生J. 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。,Antony Hewish 获得1974年诺贝尔奖,3.中子星（脉冲星）的观测,Crab pulsar off and on,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 星云的3D模拟,验证广义相对论1974年R. Hulse和 J. Taylor
8、发现双中子星射电脉冲星PSR 1913+16。轨道周期不断减小，与广义相对论的引力辐射预言一致：双星中子星绕转 引力波 能量和角动量损失 双星轨道收1993年获Nobel物理学奖,磁星(Magnetars) 磁场强到 10 15-16 高斯！？,4. 中子星VS夸克星,夸克星的研究历史,1969年，即Gell-Mann预言夸克存在的五年之后，人们提出夸克星的构想。 1984年，Witten 从理论上预言夸克星存在。 1986年，Alcock 等人提出“There may be no neutron stars, only strange stars!”。他们还认为夸克星存在正常核子物质的外壳，
9、于是仅从表面辐射很难区分中子星、奇异星。 裸夸克星 北京大学徐仁新教授,与铁核相比，夸克物质也许有更低平均核子的结合能。 夸克星由 u, d, s 夸克（quarks）和电子构成。 相对于中子星而言，相同质量的奇异星具有更小的半径，但很难测量。,夸克星的特点,自束缚体系： 体积更小，转得更快,观测上还没能鉴定脉冲星究竟是中子星还是夸克星,物质能否被无限压缩？三，黑洞,牛顿引力理论下的黑洞根据动能(mv2/2)引力势能(GMm/R)导出R愈小，M愈大，逃逸速度愈大；逃逸速度达光速，光不能离开，形成黑洞.,1，黑洞概念的提出,广义相对论 G=8T,弯曲时空物质的能动张量,物质告诉时空怎么弯曲； 时
10、空告诉物质怎么运动。,广义相对论的黑洞,质量一定的恒星，其半径越小，对周围时空弯曲作用越大。当弯曲到一定程度后，光线就无法逃离这个区域，这就是黑洞。黑洞实际上是一个脱离了我们宇宙的时空区域。太阳如果全部压缩到半径3公里以内，就会成为黑洞。（地球1厘米）,最简单：不旋转，不带电,仅有质量参数；垂直于表面发射的光都被捕获处的半径， 表示黑洞的半径Rs=2GM/c2算出：太阳的史瓦西半径为3千米，地球仅 为0.9厘米。,2.1,史瓦西黑洞（球形黑洞）,2，黑洞的类型,视界：史瓦西半径是 黑洞的边界。物质（包 括光）一旦落入视界之 内，就再也不能逃出视 界。 中心奇点：黑洞除中心 有物质以外，其它地方
11、空无一物，中心点的物 质密度、引力都是无穷大，故称奇点。,黑洞对外界光线的影响,黑洞有自转，偏离 球形而成椭球体。旋转黑洞有两个参 量：质量和角动量。旋动黑洞的周围就 像宇宙中的一个引力 大旋涡，旋涡中心是黑洞，在旋涡附近的物体 都会吸向旋涡中心。,2.2，克尔旋转黑洞,不再是中心的奇点，而是一个平躺在赤道面上 的奇异环。进入克尔黑洞的飞船只要不进入奇异 环所在的赤道面，飞船可以在其附近自由飞翔。,黑洞无毛？ 三毛：质量、角动量、电荷信息疑难：其它信息完全丢失了！？,黑洞的表面量子态保存着所有信息，表面积不减，信息不丢失。,3，霍金的量子黑洞,霍金：黑洞不黑，黑洞可能辐射能量，可能发射粒子。黑
12、洞表面不断产生和湮灭虚粒子对，如果正能粒子逃出表面，将从黑洞带走能量。黑洞越小，辐射越强。质量10亿吨的微黑洞，有 一千二百多亿度的高温， 辐射很强，可以很快蒸发， 形成爆炸。,黑洞不黑（霍金辐射）,原初黑洞：形成于宇宙大爆炸时，可能有些现在正在蒸发掉； 恒星级黑洞：形成于超新星爆发，质量为几个到几十个太阳质量； 中等质量黑洞：来源是个迷，质量103-5太阳质量，可能存在于球状星团中心； 超大质量黑洞：星系中心的黑洞，质量106-10太阳质量，可能由合并形成。,4，黑洞的存在形式,5.1、双星中黑洞的搜寻黑洞虽不发光，但它在引力效应依然存在。根据双星运动估计出看不见的天体的质量，如果大于3个太
13、阳质量，就可能是黑洞。黑洞把周围的物质吸入的过程中，会发出强烈X射线辐射，X射线双星，这也是一个重要判据。,5，寻找黑洞,有很强X射线辐射，伴星是质量约2540个太阳 质量的蓝巨星，轨道周期为5.6天，X射线源约为 7个太阳质量，超过中子星质量上限，是比较公认 的黑洞的候选者。,恒星级黑洞 候选者 天鹅座X1 示意图,光学观测，银河系 中心是漆黑一团。射电观测发现强源 人马座SgrA，由东西 两个源组成。 西边的又叫SgrA*，有红外和X射线辐射。天文学家把SgrA*定义为银河系的中心,并认为 它可能是一个黑洞。,5.2，银河系中心的特大黑洞,近红外观测：SgrA*和 一颗年轻恒星组成双星 系
14、统，轨道周期15.56年。估计出SgrA*有4百万 个太阳的质量。史瓦西 半径为0.08天文单位。黑洞的角径为10微角秒。这是离我们最近、最强、角径最大的一个超 大质量黑洞候选者。,双星系统的确认,图上部是用VLBA 在五个波长(0.7, 1.35, 2.0, 3.6 和6.0厘米)的准同时观测的SgrA*的图像，其尺 度随波长的变化。 图下部是一个点源因星际介质散射引起放大 图象，更短波长观测将可能获得其真实结构。,SgrA*的VLBA 多波段观测,2002年，实现3.5毫米波段的VLBA观测；揭示椭圆状视结构，沿东西方向的固有大 小在1个天文单位以内；只是黑洞的史瓦西半径的13倍；能否更接近黑洞视界？,3.5毫米波段的VLBA的观测,思考和复习题,1，试简述各种致密星的基本特征和结构。 2，白矮星和中子星是靠什么力和引力抗衡？ 3，中子星有什么特殊性质？ 4，为何黑洞不黑？ 5，宇宙中存在哪些类型的黑洞？,
