从双星谈到奇异星体.ppt

香港科技大學天文學會講座,2003年10月28日 從雙星談到奇異星體 香港科技大學物理系 王國彝教授,大綱: *大犬座天狼星及其他例子 *英仙座大陵五(食雙星) *PSR1913+16(脈衝雙星) *天鵝座X-1(雙星系統中的黑洞) *NGC6240(雙超級黑洞系統),HKUST Astronomy Club,2,1.大犬座天狼星及其他例子,HKUST Astronomy Club,3,雙星,太陽是一顆單獨存在的恆星; 但雙星系統在宇宙中十分普遍，近一半以上的恆星都是有伴星相隨的,HKUST Astronomy Club,4,木星,如果在太陽系形成的時候，木星剛巧大得足以成為小太陽，太陽系也會成為雙星系統,HKUST Astronomy Club,5,雙子座北河二,1803年，赫紹耳(William Herschel)發現的第一個雙星系統,HKUST Astronomy Club,6,北河二雙星的軌跡,HKUST Astronomy Club,7,雙雙星系統?,開陽和開陽增一都是雙星系統，所以是”雙雙星系統”,HKUST Astronomy Club,8,距離不遠,Gliese623位於武仙座，離太陽系只有25光年 兩星相距約2AU Gliese623b比太陽暗60,000倍，輕10倍(紅矮星),HKUST Astronomy Club,9,天鵝座,HKUST Astronomy Club,10,天鵝座61,HKUST Astronomy Club,11,一月一日下午九時從香港向東南偏東觀看的天狼星(黑色)，天狼星是大犬座的主星，位於大犬座的頸部。,HKUST Astronomy Club,12,例: 天狼A是雙星系統中質量較大的星體，它的同伴是一顆白矮星，最近才被發現。,Sirius (天狼星): 著名的目視雙星,HKUST Astronomy Club,13,在Ball場中,HKUST Astronomy Club,14,關燈之後,HKUST Astronomy Club,15,翩翩舞姿,當雙星在軌跡運行時，它們的質心保持不變。 質心位於兩星連成的直綫上。 它們的距離與質量成反比,HKUST Astronomy Club,16,緊握臂彎,他們的旋轉動作是靠他們互相緊握的力來維繫的。 這力是向心力，沒有這作用力維持，他們就會各散東西了。 把雙星拉在一起的力是萬有引力，是由星體的質量決定的。,HKUST Astronomy Club,17,力 和質量 有多大?,如果兩星之間的距離很大，扣緊雙星的作用力應是大的。 如果兩星旋轉得很快，扣緊雙星的作用力也應是大的。 事實上，開普勒定律告訴我們。,雙星提供了直接量度星體質量的唯一的方法。,HKUST Astronomy Club,18,2.英仙座大陵五(食雙星),HKUST Astronomy Club,19,大陵五(Algol),英仙座大陵五是魔女Medusa的眼睛,HKUST Astronomy Club,20,食雙星,如果雙星軌道平面與視綫平行，星光就可被伴星阻擋，形成食雙星。 如果雙星太接近，會被誤認為單一星體。 當星食發生時，亮度減弱。 當星食結束時，亮度恢復。,HKUST Astronomy Club,21,有大有小,大低點：當温度較低的星體在前方，阻擋的光較多，亮度減弱較深。 小低點：當温度較高的星體在前方，阻擋的光較少，亮度減弱較淺。,HKUST Astronomy Club,22,更多資料,觀測星體的多卜勒效應，可以找出它們的速率。 觀測小星橫越大星的時間，可量大星直徑。 觀測星食初現(或減退)的時間，可量小星直徑。,HKUST Astronomy Club,23,偏食,如果雙星軌跡與視綫成小角度，星食就不完全，形成偏食。,雙星: 示範,欣賞食雙星的動畫示範： http:/www.phys.ust.hk/genphys/press/press-hkust.htm (香港物理學會中六學生專題研究獲獎作品),HKUST Astronomy Club,25,3. PSR1913+16 (脈沖雙星),HKUST Astronomy Club,26,甚麼是中子星?,恆星如同人一樣也有生與死；恆星由生到死這個過程被稱為恆星演化。 中子星就是恆星演化其中一個結果。,HKUST Astronomy Club,27,中子星如何形成? 1,當一顆質量相當於4至8倍太陽質量的恆星到達恆星演化的最後階段時，通常會以超新星爆炸來結束它的一生。,HKUST Astronomy Club,28,超新星爆炸,一百億光年外的超新星爆炸(已知最遠)。,HKUST Astronomy Club,29,中子星如何形成? 2,超新星爆炸後，恆星的核心便會變成中子星。 中子星的質量高於1.4倍太陽質量， 但低於3倍太陽質量。,HKUST Astronomy Club,30,中子星有何特別? 1,在中子星內重力非常大，大得可以令質子和電子融合成中子。,HKUST Astronomy Club,31,中子星有何特別? 2,由於中子星已是恆 星演化的盡頭，所 以不會像太陽般發光。 中子星的體積很小，直徑不超過 30 公里，不過質量卻超過太陽!,HKUST Astronomy Club,32,一個太陽質量的中子星，約有十公里大小,中子星有何特別? 3,HKUST Astronomy Club,33,中子星有何特別? 4,由於中子星體積小、質量大，它的密度也大得驚人。 一立方公分的中子星物質，竟重達10億多噸！ 綠豆般大小的東西要1萬 艘萬噸輪船才承受得起,HKUST Astronomy Club,34,中子星的例子 1,一顆距離地球最近的中子星，位於南冕座。 這顆中子星的密度是鋼鐵的一百億兆倍!,HKUST Astronomy Club,35,中子星的例子 2,蟹 狀 星 雲 中 的 中 子 星。 中間兩顆亮星中靠左的那一顆就是中子星，直徑約為10公里，質量約與太陽相當。,HKUST Astronomy Club,36,甚麼是脈衝星? 1,脈衝星其實就是高速旋轉的中子星。 由於中子星的體積 細小，兩極的磁場 被強烈的擠壓，形 成了兩極強大的輻 射和噴流現象。,HKUST Astronomy Club,37,脈衝星是如何被發現? 1,1967年，英國劍橋大學的研究生約塞琳貝爾 (Jocelyn Bell) 從外太空接收到一連串有規律的電波脈衝，從而發現脈衝星。,HKUST Astronomy Club,38,脈衝星是如何被發現? 2,他們起初不知道是脈衝星的訊號，還以為是外星人的訊息，並給了脈衝星一個有趣的名字小綠人( Little Green Men )。,HKUST Astronomy Club,39,脈衝星有何特別? 1,脈衝星放射脈衝的周期 極為穩定，足以與世界 上最好的原子鐘相媲美。 至今已發現350多個脈衝星，脈衝訊號的週期多在0.0016-4秒之間。,HKUST Astronomy Club,40,脈衝星有何特別? 2,不同的脈衝星會放射出不同的電磁波，例如無線電波、紅外線、x光等。,HKUST Astronomy Club,41,脈衝星有何特別? 3,低頻脈衝 PSR0329+14: 周期為0.715秒 中頻脈衝 PSR0833-45: 位於船帆座超新星殘骸, 周期為89.3毫秒 高頻脈衝 PSR1937+21: 已知最高頻脈衝的脈衝星, 周期為1.56毫秒, 或頻率為640赫,HKUST Astronomy Club,42,燈塔效應(lighthouse effect) 1,由於脈衝星只向兩極的方向放射電磁波，所以只有在被它放射的電磁波的範圍掃過的地方才可以探測到脈衝星的訊號。 這使到脈衝星就像 宇宙之中的燈塔。,HKUST Astronomy Club,43,燈塔效應(lighthouse effect) 2,脈衝星的結構,HKUST Astronomy Club,44,燈塔效應(lighthouse effect) 3,模擬脈衝星的運動,HKUST Astronomy Club,45,蟹狀星雲脈衝星的吸積盆和噴流,HKUST Astronomy Club,46,脈衝雙星,HKUST Astronomy Club,47,約瑟泰勒(Joseph Taylor)和羅素曉斯(Russell Hulse)發現首個脈衝雙星PSR 1913+16,脈衝雙星的發現 1,HKUST Astronomy Club,48,脈衝雙星的發現 2,約瑟泰來和羅素曉斯於1974年利用位於阿雷西博的射電望遠鏡發現PSR1913 + 16,HKUST Astronomy Club,49,脈衝雙星的發現 2,部分脈衝較其他脈衝早3秒到達； 這現象稱為多普勒效應； 顯示有伴星存在；,HKUST Astronomy Club,50,多普勒效應 1,當一架警車經過的時候, 它迎面過來所發出的聲波是比它離開時所發出的為高 走音?,HKUST Astronomy Club,51,多普勒效應 2,當發射器與接收器之間有一個相互接近的運動時 我們所接收到的波長會下降 頻率和音高會上升 當運動是相互離開時 波長會上升 頻率和音高會下降,HKUST Astronomy Club,52,多普勒效應 3,HKUST Astronomy Club,53,多普勒效應 4,當同樣的現象發生在這個雙星系統時 我們就是接收器 那個雙星系統就是發射器 這就能解釋為何我們所接收到來自那個雙星系統的訊號是有不同的頻率,HKUST Astronomy Club,54,脈衝雙星的軌跡 1,PSR1913 + 16 自轉週期為59毫秒，即每秒自轉17次； 公轉週期為7.75小時； 質量約為1.4倍太陽質量；,HKUST Astronomy Club,55,脈衝雙星的軌跡 2,進動(Precession) 水星: 每世紀1.56 度 PSR1913+16: 每年4.2度,HKUST Astronomy Club,56,水星的橢圓軌跡環繞太陽進動,脈衝雙星的軌跡 3,HKUST Astronomy Club,57,水星的進動大部分是由於其他行星的引力，但預測數據比觀測低0.8% 。 根據愛因斯坦的廣義相對論，萬有引力會把時空扭曲。 接近太陽的位置，引力較大，曲率也較大，令橢圓軌跡變形。 相對論效應正好是0.8%!,接近太陽的位置，時空扭曲最大,脈衝雙星的軌跡 4,HKUST Astronomy Club,58,脈衝雙星的軌跡 5,泰勒和曉斯發現周期越來越短，便提出能量是以引力波形式損耗。 觀測與愛因斯坦廣義相對論的推論吻合 泰勒和曉斯因而榮獲1993年諾貝爾物理學獎,PSR 1913+16,HKUST Astronomy Club,59,萬有引力扭曲時空,根據愛因斯坦的廣義相對論，萬有引力會把時空扭曲。 扭曲的情況有如把一顆鋼珠放在橡皮表面，使平面彎曲。 當其他物質經過扭曲的時空，其軌跡亦隨之改變。,HKUST Astronomy Club,60,雙重扭曲,雙星系統中的兩星把時空扭曲，有如兩顆鋼珠放在橡皮表面。 當雙星運行時，扭曲的時空也隨著轉動。 轉動的扭曲面產生漣漪，以引力波形式向外傳播。,HKUST Astronomy Club,61,引力波: 示範,HKUST Astronomy Club,62,HKUST Astronomy Club,63,引力波動畫,HKUST Astronomy Club,64,HKUST Astronomy Club,65,脈衝雙星的引力波效應 1,公轉週期每年減少75微秒(一微秒是等於一百萬分之一秒); 軌跡每年縮減3.1毫米;,HKUST Astronomy Club,66,恆星釋放引力波並損失能量； 兩顆星沿螺旋形的軌道緩慢地接近對方，最後(3億年後)發生碰撞，產生伽瑪射線爆發 (gamma ray burst)，有可能形成黑洞並釋放大量引力波;,脈衝雙星的引力波效應 2,HKUST Astronomy Club,67,The Aluminum Bar Detector,Gravitational wave drives the bar in oscillation with amplitudes smaller than the size of nucleus,Weber Bar: 早期的引力波觀測,Joseph Weber (-2000),HKUST Astronomy Club,68,引力波的觀測,LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory),LISA,HKUST Astronomy Club,69,4. 天鵝座X-1(雙星系統中的黑洞),HKUST Astronomy Club,70,天鵝座X-1的發現,七十年代發現,HKUST Astronomy Club,71,確定天鵝座X-1是雙星系統,多普勒效應顯示，雙星系統周期為5.6日,HDE226868的亮度變化顯示，星體因X-1潮汐力變長,HKUST Astronomy Club,72,高密度星體?,X射線可在極短時間內出現變化，顯示X-1并非中子星 亮度變化受光速限制，顯示X-1很小,HKUST Astronomy Club,73,高密度星體?,引用開普勒定律，顯示X-1質量超過7個太陽質量 中子星質量最高不超過4-5個太陽質量 X-1 不可能是中子星 時至今日，已有95%把握確定X-1是黑洞,HKUST Astronomy Club,74,天鵝座 X-1,第一個被發現的黑洞，約有9個太陽質量，所以定是黑洞。,HKUST Astronomy Club,75,世紀大賭博,索恩(Kip Thorne) 賭: 天鵝座x-1是黑洞,霍金(Stephen Hawking) 賭: 天鵝座X-1不是黑洞,HKUST Astronomy Club,76,雙星系統中的高密度星體,高密度星體包括白矮星、中子星和黑洞。 白矮星：約1個太陽質量，大小如地球。 中子星：約數個太陽質量，大小如一個城市。 黑洞：約10個太陽質量，大小如香港島。 體積細小，很難用光學方法觀察。 可是，如果它們有同伴相隨，就會很容易發現。,HKUST Astronomy Club,77,循環演化 白矮星: 第一類超新星爆炸 新星爆炸 中子星和黑洞: 脈衝雙星的引力波 X-射線雙星 X-射線爆炸,高密度雙星系統中的奇特現象,HKUST Astronomy Club,78,Roche Lobe,Stability points,Matter flows through here,HKUST Astronomy Club,79,More massive star at right,緊密雙星系統中的演化,HKUST Astronomy Club,80,環繞黑洞的漩渦，有如洗手盆出水口的繞流，形成吸 積盆。,環繞黑洞的漩渦,See animation “Black Hole Geometry” (AN_13_49).,HKUST Astronomy Club,81,吸積盆的活動,輻射和氣體,HKUST Astronomy Club,82,兩類超新星,第二類超新星爆炸發生於單個大質量星體死亡時 第一類超新星爆炸發生於緊密雙星系統中的白矮星 這類系統的雙星是白矮星和紅巨星，白矮星吞食伴星的物質，直至超過自己的臨界質量，引起爆炸,HKUST Astrono