南京大学天体物理学课件.ppt

第四章 致密星,4.1 白矮星 4.2 中子星 4.3 黑洞,4.1 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- 4104 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/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,why stars with masses 8m form white dwarfs?,4.2 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 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.,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）。 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,millisecond pulsars psr 1937+21 再循环？ 证据: x-ray pulsar: sax j1808.4-3658,magnetic fields,pulse periods,pulsars,millisecond pulsars,spin-up line,recycling,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 m, porb= 98 d,magnetarssgrs and axps ultra-magnetized neutron stars ?,neutron stars and strange stars,4.3 黑洞 (black holes),1. 广义相对论和时空弯曲 1915年，einstein发表广义相对论 (general relativity) 物质 引力源 时空弯曲 (curved space) 引力场强弱 时空弯曲程度 例如：地球绕太阳运转可以认为是它沿着太阳周围四维时空中的测地线运动。,黑洞周围的时空弯曲程度最大,too close to a black hole,normal star field containing the constellation orion.,the same star field but with a black hole superposed in the center of the frame.,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。,在越致密的天体附近，光线弯曲的程度越大。,2. schwarzschild黑洞的基本性质,结构 中心奇点 (singularity) 视界 (event horizon) 半径为rs的球面， 在视界内的任何信息无法向外传递。 光层 (photosphere) 半径为1.5 rs的球面， 各向同性辐射光子中的一半可以逃逸。,evidence of an event horizon around a black hole,pulses of ultraviolet light from clumps of hot gas fade and then disappear as they swirled around a massive, compact object called cygnus x-1.,引力红移 /0(1- rs /r)-1/2 如果rrg，视界是无限红移面 如果rrs，0 /1-gm/c2r 或 其中“光子质量”,时间延迟 在黑洞附近的时钟比远处的时钟走得慢。 在视界处的时钟看上去完全停止。,from jacks point of view: sees the ship getting further away. flashes the laser every second by his watch. sees a blue beam leave the laser.,from jills point of view: each flash takes longer to arrive, and is redder and fainter than the one before it.,jack sees: laser flashes blue every second by his watch the outside world looks distorted,jill sees: laser flashes come 1 hour apart flashes are shifted to radio wavelengths and are getting fainter with each flash.,jill: sees one last laser flash after a long delay; flash is faint and at long radio wavelengths never sees the next flash,jack: universe vanishes as he crosses the horizon gets shredded by strong tides near the singularity and crushed to infinite density.,near the event horizon.,down the hole.,黑洞无毛发定理 表征黑洞性质的物理参数：质量、角动量和电荷。 kerr黑洞。 黑洞面积不减定理 黑洞可以合并，不可以分裂。,黑洞的蒸发 真空 正负(虚)粒子对 负粒子被吸收 黑洞质量减小 正粒子逃逸 带走能量 黑洞能损率黑洞寿命 当m=1 m, t1067 yr； 当m=1015 g, t1010 yr （小黑洞已经蒸发）,gamma-ray bursts and black holes,3. 黑洞的观测证据,恒星级黑洞 途径：搜寻质量超过中子星质量上限（2-3 m）的致密星。 确定致密天体性质：x射线辐射、时变 确定致密天体质量：双星轨道运动 x射线双星,黑洞候选天体cygnus x-1,强x射线源 x射线辐射光变时标1 ms 辐射天体尺度 108 cm 中子星或黑洞,光学伴星hde226868 o9.7iab型超巨星 光学观测 轨道周期5.6天，光谱doppler位移 视向速度曲线 质量函数 mopt 9m mbh 2.9m 光谱拟合 mopt =17.8m