特殊天体幻灯片.ppt

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1、特殊天体第1页，共44页，编辑于2022年，星期日 最早被天文观测发现的是白矮星，它是在天文学家对它还一无所知时无意中被发现的。科学家是在它被发现很久之后才完成对它的理论描述的。中子星的发现则与白矮星完全不同。科学家们对 中子星的理论分析在它被发现前三十年就基本完成了。很晚才发现中子星是因为它太小了。如果一个天体的直径仅有10千米，即使它与我们的距离同最近的恒星一样近，就是用最大的望远镜也无法找到它。天文学家是通过脉冲星进而发现中子星的。南天星云第2页，共44页，编辑于2022年，星期日5.1 白矮星和黑矮星白矮星和黑矮星 一 白矮星 白矮星是20世纪20年代末发现的一类天体。它们具有具有较高

2、的表面温度、较低的 光度，处于赫罗图的下方。其密度很大，为105108克/厘米3。质量约等于太阳质量的白矮星，半径近似等于地球的半径。目前已发现的白矮星达1000颗以上，多数白矮星的光谱型为A型。白矮星的表面温度相差很大，密度很大。第3页，共44页，编辑于2022年，星期日 白矮星的密度很大。量子理论认为，白矮星的物质处于一种特殊的状态，这种状态称为简并态。简并态是指在高温、高压、高密的条件下，原子的电子壳层已不复存在，电子成为自由电子，自由电子组成电子气体。通常气体的压强与其密度、温度成正比，而对于处于简并态的电子气体，它的压强只与密度有关，而与温度无关。白矮星第4页，共44页，编辑于202

3、2年，星期日 白矮星的质量越大，半径越小。1931年，钱德拉塞卡发现白矮星的质量有一个上限，超过这一上限，白矮星就不存在了。他指出这个极限为1.4M。其精确值依赖于物质的成分。后人为纪念这一伟大发现，将此极限称为钱德拉塞卡（质量）极限。白矮星是从质量为34个太阳质量的恒星演化而来的。它是由主序星演化到红巨星，等氢燃烧和氦燃烧熄灭以后，再次到达红巨星。在快接近第二次红巨星阶段的末尾，成为行星状星云。最后，恒星只剩下0.81个行星状星云的核心，继续冷却成为一颗白矮星。球状星团M4以及其中的白矮星团第5页，共44页，编辑于2022年，星期日根据不同的化学成分可将白矮星分为DA、DB、DC、DF和DP

4、 5个次型：DA型：含氢丰富DB型：含氦丰富DC型：含碳丰富DF型：含钙丰富DP型：磁场特强第6页，共44页，编辑于2022年，星期日白矮星还有一个奇异的引力红移现象：在远离引力场的地方观测引力场中的辐射源发射出来的光时，光谱中谱线会向红端移动。即同一条原子谱线在强引力场中比没在强引力场中波长更长，且波长红移大小与辐射源和观测者两处的引力势差成正比。第7页，共44页，编辑于2022年，星期日二 黑矮星 电子的简并压强能够阻止住白矮星的坍塌，并允许白矮星一直冷却下去。在此过程中白矮星的大小并不发生变化。当它慢慢损失掉热能时，会变得越来越红和越来越暗。或迟或早，白矮星会成为一堆灰烬，只发出微弱的红

5、外线。白矮星最终会变成一颗黑矮星。黑矮星是寒冷的，死气沉沉的，高度致密的，一团基本上属于简并态的物质，除了其引力可能作用于邻近的伴星外，再也找不到它存在的其他迹象。第8页，共44页，编辑于2022年，星期日5.2 中子星和脉冲星 1932年英国卡文迪什实验室发现了中子，中子不带电，质量比质子略大一点点。当时的哥本哈根，在玻尔周围有一群年轻的科学家，他们对量子力学的建立和发展做出了重大贡献。中子的发现使这些科学家大为激动，前苏联科学家朗道预言宇宙中应该有以中子为主要成分的天体，后来人们把这种天体称为中子星。中子星爆炸前的表面第9页，共44页，编辑于2022年，星期日一、脉冲星 1967年，英国剑

6、桥大学的休伊什设计了一架射电望远镜，用来研究太阳风对来自宇宙其他天体射电信号的影响，从而研究太阳风的运动和结构。记录工作由休伊什的研究生贝尔小姐担任。她注意到半夜仍然有射电信号的闪烁，而且是周期为1.337秒的脉冲。多次反复观测后，他们确定这是来自某一天体的脉冲信号，将这种新的天体命名为脉冲星。超新星第10页，共44页，编辑于2022年，星期日基本特点：1、脉冲是射电信号，在无线电波段收到2、脉冲信号的时间间隔（即周期）很短，且相当稳定 已知的脉冲星周期在0.03秒到4秒之间，脉冲持续时间大部分在0.0010.05秒。第11页，共44页，编辑于2022年，星期日 至今发现的脉冲星已达500颗左

7、右，脉冲星按其脉冲辐射的形状可分为三类：S型、D型、C型。S型脉冲星具有简单的脉冲外形，C型脉冲星具有复杂的脉冲外形，D型脉冲星具有漂移的亚脉冲。脉冲星一次脉冲发出的能量比地球上最猛烈的火山爆发所释放的能量还要大几亿倍。第12页，共44页，编辑于2022年，星期日二、中子星 第13页，共44页，编辑于2022年，星期日 现在公认脉冲是一种“灯塔”发出的，“灯塔”是快速旋转的中子星，自转一周仅需要1秒左右。只有中子星才能承受这样的高速旋转，因为中子星的密度达到1亿吨/厘米3。许多学者认为中子星是超新星爆发的产物。由于爆炸后核心的急剧收缩，星体内部的巨大压力把电子挤入原子核内与质子结合，形成高密度

8、的中子物质 ，成为中子星。中子星发出的射线第14页，共44页，编辑于2022年，星期日 很多恒星具有靠得很近的伴星。当这样一对恒星中的一员变成一颗超新星，爆发后留下一颗中子星时，其伴星的演化往往会因此而大大加快。由于中子星对伴星的引力作用很强，所以该伴星可能会从它的大气中倾泻出可观的质量，而以致密气体云的形式包围那颗中子星。致密气体会扑灭脉冲星发出的 射电发射。但随着气体在中子星周围的强引力场中被吸积和加热，又会产生很强的X射线发射。这也给科学家提供了一种观测中子星存在的可靠方法。星团第15页，共44页，编辑于2022年，星期日 中子星依靠中子简并压力来阻止强大引力造成的进一步坍缩。与白矮星类

9、似，中子星也有一个质量范围。原子弹之父奥本海默的研究表明，若恒星爆发后剩余的质量大于3M，则中子星简并压力无法阻止引力坍缩的进一步进行。为纪念奥本海默的这一发现，后人把M=3M称为奥本海默极限。中子星的极端物理条件：超高密度超高温、超高压、超强磁场和超辐射，在地球上无法实现，所以中子星就成了极端物理条件的实验室，帮助人们了解物质在极端条件下的运动变化规律。星团第16页，共44页，编辑于2022年，星期日第17页，共44页，编辑于2022年，星期日中子星的内部结构第18页，共44页，编辑于2022年，星期日 1974年美国天文学家泰勒和他的研究生赫尔斯利用射电望远镜发现了脉冲双星PSR1913+

10、16。他俩而后对PSR1913+16进行了多年的追踪观测，出现其轨道周期每年减小76微秒。这一结果表明双星系统的能量在慢慢损失。理论研究表明，只有引力波（见6.6节）辐射才能将系统的能量慢慢带走，使整个双星系统的能量绕转周期越来越短，两子星距离越来越近。三 脉冲双星和引力波探测第19页，共44页，编辑于2022年，星期日 到2005年底已发现脉冲双星约100个,大多数是一颗中子星和一颗白矮星的组合,两颗都是中子星的仅有6对。独特脉冲双星第20页，共44页，编辑于2022年，星期日5.3 黑洞和白洞黑洞和白洞最大最古老的黑洞第21页，共44页，编辑于2022年，星期日一、引力坍缩与黑洞 逃逸速度

11、：地球表面上的火箭要飞出地球的引力控制所必须具有的速度，大小为11.2千米/秒。其数学表达式为：V逃 =2GM/R 黑洞撕裂恒星第22页，共44页，编辑于2022年，星期日 假定地球的半径由于某种原因缩小到原来的1/4而质量不改变，那么其表面的引力就会增强到原来的16倍，此时所要求的逃逸速度为22.4千米/秒。为了理解引力坍缩，我们设想将地球的周长从40000千米缩小到10千米，这时火箭的速度要达到708千米/秒才能逃出地球。如果进一步把地球周长缩小到5.58厘米，则逃逸速度就达到了光速每秒30万千米。这时地球上的任何信息都不可能送到外界，从外面的世界看，只留下一个周长为5.58厘米的“墓穴”

12、。最大最古老的黑洞第23页，共44页，编辑于2022年，星期日 令V逃为光速c，则可得引力半径：Rg2GM/c，引力半径同质量成正比。引力半径的物理意义是：如果某天体的半径R小于其对应的Rg，则此天体发出的光也逃不出去。黑洞的视界并不是物质面，它的物理意义是指外部观测（RRg）不可能知道其内部（R Rg）的任何信息。仙女座中心存在着10个新的准黑洞第24页，共44页，编辑于2022年，星期日质量（千克）相当质量的物体引力半径相当大小的物体 平均密度（千克/米3）1012 山岳（微黑洞）310-12毫米 电子半径8.81045 7.351022 月球0.11毫米细砂1.361034 61024

13、地球8.9毫米豌豆2.031030 21030 太阳2.96千米步行半小时路程1.8010192.01032 最大的恒星296千米约沪宁铁路长度1.801015 21035球状星团2.96105 千米地月距离的78%1.8109 2.21041银河系0.03光年比邻星距离的0.7%0.002不同质量黑洞的半径和密度第25页，共44页，编辑于2022年，星期日二 黑洞的性质 黑洞可以用质量、电荷和角动量三个量完全确定黑洞无毛发定理。黑洞可以分为四大类：最简单的无电荷、无转动的球状黑洞只需质量一个参数就可描述，又称为史瓦西黑洞；有电荷、无转动的球对称黑洞，又称为雷斯勒-诺斯特诺姆黑洞；无电荷但有转

14、动的黑洞，又称克尔黑洞；带电荷又有转动的旋转黑洞需要质量、电荷和角动量三个参量描述，又称为克尔-纽曼黑洞。第26页，共44页，编辑于2022年，星期日 黑洞无毛发定理表明，引力坍缩前千差万别的物体，坍缩为黑洞之后各自的细节都消失了。我们无法根据黑洞的现状来推断它坍缩前的具体性状。第27页，共44页，编辑于2022年，星期日 黑洞具有电荷的原因是作为黑洞前身的恒星都有电磁场，黑洞形成以后还可从星际介质中吞噬带电粒子，因此在黑洞视界周围成带电的外部时空，但黑洞的大部分电磁属性已被引力波带走，只留下总电荷这一个与电相关的参量。黑洞具有角动量的原因是因为作为黑洞前身的恒星都有自转，形成黑洞以后按角动量

15、守恒定律依然要保持转动特性。第28页，共44页，编辑于2022年，星期日没有电荷的黑洞容易理解，正负电荷刚好中和。没有转动的黑洞是则因为某些物质通过彭罗斯过程从旋转黑洞中提取完黑洞的全部角动量，进而使黑洞停止转动，能层消失，只剩下质量，旋转的克尔黑洞变为静止的史瓦西黑洞。第29页，共44页，编辑于2022年，星期日黑洞撕裂恒星黑洞还有一个特别的行为，就是当两个黑洞相撞而合二为一时，合成的黑洞的视界表面积一定不小于原来两个黑洞视界表面积之和，这种黑洞的合并还会释放出巨大的能量。合成后的黑洞还可以再合并，再释放能量。第30页，共44页，编辑于2022年，星期日 著名的黑洞理论家霍金证明，黑洞一分为

16、二是办不到的。他的“面积不减定理”规定，黑洞在变化中视界表面积只能增加，不能减小。而黑洞的分裂将导致表面积减小，所以是禁止发生的。围绕着中等黑洞旋转的星群第31页，共44页，编辑于2022年，星期日对日常所见的物体，如果两个小球合并成一个大球，则大球的表面积一定小于两个小球的表面积之和。设两同种材料同样大小的小球，半径为R。，则合并前两小球的表面积为合并成一个半径为R的大球，表面积为又两个小球的质量等于大球的质量所以设 即即 ,又故 成立第32页，共44页，编辑于2022年，星期日再来证明黑洞的面积不减定理，以球状的史瓦西黑洞为例,黑洞的视界面积为其中R。为视界半径，又所以为简单起见，令两个小

17、黑洞质量相同均为M。，大黑洞质量为2M。，视界表面积为S，则当两个小黑洞的质量分别为M1，M2，视界面积分别为S1，S2，则第33页，共44页，编辑于2022年，星期日在上述证明中要求大黑洞的质量等于两小黑洞的质量之和，而这一条件在黑洞的合并过程中并不满足。按照广义相对论，在两个具有强引力场的黑洞猛烈碰撞的过程中，将有引力波发射出来。由于能量守恒，引力波的能量是由两个黑洞的总质量的亏损来提供的。霍金从理论上证明即使两个黑洞碰撞时，通过引力波发射能量的形式损失掉的质量多达总质量的50%，黑洞的面积不减定理仍然成立。第34页，共44页，编辑于2022年，星期日 霍金在研究量子力学对黑洞附近物质的行

18、为的影响时，发现黑洞似乎总以稳定的速度发射粒子，而且发射的粒子具有热辐射的性质。黑洞的辐射看起来好象是一个普通的热物体在辐射，所以黑洞并非绝对的黑，它有一个温度。围绕着中等黑洞旋转的星群第35页，共44页，编辑于2022年，星期日 黑洞也要受到量子力学的影响，然而，量子效应只是在微观领域中才表现出显著的影响。对于通常的黑洞，它的辐射实在太小而完全可以忽略。例如，对于一个太阳质量的黑洞，它的辐射所对应的温度只有610-8开。这种温度下的热辐射是微乎其微的。有人认为，在黑洞中心的“奇点”处，物质不可能被压缩到无限大的密度，在小于10-33厘米的空间尺度上，广义相对论也要失败，而应代之以量子化的引力

19、理论。除大型小型外的新中型黑洞第36页，共44页，编辑于2022年，星期日三 寻找黑洞 黑洞是引力辐射源、X射线源、射线源。单线双星光谱未出现的那个子星可能是黑洞。引力透镜法是用来确定黑洞的一种方法。S 1 S B E S 2 引力透镜示意图黑洞新类型第37页，共44页，编辑于2022年，星期日 根据量子力学理论，小黑洞会发射光和粒子而逐渐消亡，因此探测它们的存在及其发射，不仅能证实黑洞的存在与否，而且也能检验新发展的黑洞量子力学的正确与否。各国天文学家在20世纪70年代末就开始了对小黑洞的搜寻工作。根据理论预言，质量小于1015克的小黑洞到今天都已经消失了，质量在10151016克的小黑洞正

20、在走向死亡。这种死亡过程是很迅速的，最后将以猛烈爆炸告终，爆炸放出的能量非常巨大，并以高能射线的形式放出。高速运行的黑洞第38页，共44页，编辑于2022年，星期日第39页，共44页，编辑于2022年，星期日四 天鹅座X-1的特征 天鹅座X-1已为多数科学家承认为黑洞。根据观测资料，天鹅座X-1成了黑洞最有希望的候选者，它的质量约为8个太阳质量。光学望远镜在天鹅座X-1方向上观测到一颗亮度为9等的双星，双星的绕转周期为5.6天。经过精密的方位测定发现，它可能就是天鹅座X-1中与X射线源为伴的可见星，而且在这个方向上还有一个射电源。从光谱的比较分析还可看出，有迹象表明气体正从可见星流到它的伴星上

21、去。黑洞新类型第40页，共44页，编辑于2022年，星期日 有人估计，在过去100亿年中银河系中平均每100年有一颗超新星爆发，而每100颗超新星中一颗会导致黑洞形成，如果这个估计是正确的，则银河系里应该有数百万个由恒星坍缩而成的黑洞，而我们根据X射线双星系统来确定的黑洞或黑洞候选者仅仅数十个，问题出在哪里呢？五 黑洞研究的最新成果第41页，共44页，编辑于2022年，星期日六 白洞和虫眼（洞）按照宇宙通常存在的对称性，应该有与黑洞相对应的天体存在，也就是恒星坍缩的逆过程，这就是宇宙物质的“火山口”，大量物质和能量从那里涌出来，这样的天体称为白洞。黑洞和白洞的通道为虫眼。物质一旦在虫眼的另一端

22、出现，它就再次突然膨胀成了普通的物质。膨胀时，它发出炽烈的辐射能，而这种能量原先是陷在黑洞里的。也就是说，我们眼前出现了一个白洞。有些学者认为类星体是虫眼某一端出现的一种巨大的白洞，其物质来自宇宙另一部分的一个巨大的黑洞。第42页，共44页，编辑于2022年，星期日第43页，共44页，编辑于2022年，星期日七 白洞的性质 白洞内的时空有着一种奇异的特性，只允许洞内的物质和辐射向外运动，不允许外来物质和能量进入内部。白洞和黑洞在广义相对论中是以时间上的反演互为对偶的。对于外部区域来说，白洞也是一个引力源，它可以被普通恒星所吸引，也可以吸引其他物质。白洞内中心附近的物质是一种超高密态物质，可能包含各种基本粒子。END第44页，共44页，编辑于2022年，星期日