第6讲 白矮星、中子星与黑洞

1、第六讲第六讲 白矮星、中子星与黑洞白矮星、中子星与黑洞赵峥赵峥北京师范大学北京师范大学一、历史上的黑洞一、历史上的黑洞二、恒星的演化二、恒星的演化三、白矮星与红巨星三、白矮星与红巨星四、中子星与脉冲星四、中子星与脉冲星五、超新星爆发五、超新星爆发六、对黑洞的早期认识六、对黑洞的早期认识引子一：加尔各答黑洞引子一：加尔各答黑洞加尔各答黑洞加尔各答黑洞n20平方米，平方米，3个犯人个犯人n关进关进146名俘虏，名俘虏，10小时后，小时后，123人死人死去，仅去，仅23人存活。人存活。引子二引子二： 每月之星每月之星n陶宏（陶行知先生之子）著陶宏（陶行知先生之子）著n1949.1.22 北平停战之日

2、写于北大红楼北平停战之日写于北大红楼n对白矮星的描述对白矮星的描述n对中子星的预言对中子星的预言n广义相对论对黑洞的预言广义相对论对黑洞的预言陶行知文集陶行知先生 上知天文 下知地理 中晓人和全心致力于平民教育事业，不愧为伟大的教育家一、历史上的黑洞一、历史上的黑洞200年前（拿破仑时代）年前（拿破仑时代）米歇尔（米歇尔（1783）拉普拉斯（拉普拉斯（1796）宇宙体系论宇宙体系论天体力学天体力学暗星暗星n“天空中存在着黑暗的天体，像恒星那样天空中存在着黑暗的天体，像恒星那样大，或许像恒星那样多。一个具有与地大，或许像恒星那样多。一个具有与地球同样密度，而直径为太阳球同样密度，而直径为太阳25

3、0倍的明倍的明亮星体，它发射的光将被它自身的引力亮星体，它发射的光将被它自身的引力拉住，而不能被我们接收。正是由于这拉住，而不能被我们接收。正是由于这个道理，宇宙中最明亮的天体很可能却个道理，宇宙中最明亮的天体很可能却是看不见的。是看不见的。” 拉普拉斯拉普拉斯221mcrGMm22cGMrrgn用万有引力定律，未用广义相对论。用万有引力定律，未用广义相对论。n光子动能误为光子动能误为 ，而不是，而不是 两个错误相互抵消两个错误相互抵消 正确的结论！正确的结论！221mc2mcn当时不知道光速是极限速度，因此光虽当时不知道光速是极限速度，因此光虽无法逃离暗星，其它物体仍有可能逃离。无法逃离暗星

4、，其它物体仍有可能逃离。天体力学第一版、第二版均谈到暗星，天体力学第一版、第二版均谈到暗星， （1796）（）（1799）但第三版取消但第三版取消 （1808）托马斯托马斯杨杨18011801年完成双缝干涉实验年完成双缝干涉实验n 英国人托马斯杨（Thomas Young）是历史上有名的神童、才子，2岁就能读书，4岁时将圣经通读了2遍，他14岁时已通晓拉丁、希腊、法、意、希伯来、波斯和阿拉伯等多种语言，还会演奏多种乐器。他在物理、化学、生物、医学、天文、哲学、语言、考古等领域都有贡献。托马斯杨先当医生，研究视觉，发现了眼睛散光的原因，转而研究光学，完成了光的双缝干涉实验。他认识到光是横波，并提

5、出了颜色的三色原理。次后他又破译了埃及的拉希德石碑上的一些文字，对考古学做出了重大贡献。法国人商博良（另一位神童）在此基础上进一步努力，终于完全破译了碑上的文字，奠定了研究故埃及文字的历史学基础。n1939年，奥本海默在研究中子星时，年，奥本海默在研究中子星时，再次预言再次预言“暗星暗星”的存在。的存在。 广义相对论广义相对论 光子光子2mc22cGMrgn太阳半径太阳半径 70万千米，密度万千米，密度1.4克克/cm3n暗星半径暗星半径 3千米，密度千米，密度100亿吨亿吨/cm3n当时已知密度最大的物质是构成白矮星当时已知密度最大的物质是构成白矮星的物质的物质 1吨吨/cm3黑洞的密度黑洞

6、的密度密度密度= ，黑洞黑洞 的黑洞，的黑洞， 与水差不多与水差不多3grM体积质量Mrg221MM810二二 恒星的演化恒星的演化赫罗图赫罗图 （赫茨普龙（赫茨普龙-罗素）罗素）恒星的演化恒星的演化赫罗图赫罗图 n光谱型：O,B,A,F,G,K,M Oh, be a fine girl, kiss me!恒星的演化恒星的演化主序星主序星红巨星红巨星白矮星白矮星 1吨吨/cm3 中子星中子星 10亿吨亿吨/cm3 黑洞黑洞 100亿吨亿吨/cm3 钱德拉塞卡极限钱德拉塞卡极限 1.4 奥本海默极限奥本海默极限 23超新星爆发超新星爆发MM恒星的演化恒星的演化全部炸飞全部炸飞恒星密度与半径的比较

7、恒星密度与半径的比较半径半径密度密度太阳太阳70万千米万千米1.4克克/cm3白矮星白矮星1万千米万千米1吨吨/cm3中子星中子星10千米千米110亿吨亿吨/cm3黑洞黑洞3千米千米100亿吨亿吨/cm3恒星尺度的比较图恒星尺度的比较图三、白矮星与红巨星三、白矮星与红巨星（1）天狼伴星（天狼）天狼伴星（天狼B星）星） 天狼（大犬座天狼（大犬座 ），距我们），距我们9光年，光年，最亮的恒星。最亮的恒星。举长矢兮射天狼举长矢兮射天狼,操余弧兮反沦降操余弧兮反沦降屈原屈原会挽雕弓如满月会挽雕弓如满月,西北望西北望,射天狼射天狼苏东坡苏东坡 唐宋八大家 韩 愈，柳宗元。 欧阳修 苏 洵， 苏 轼，苏

8、辙 王安石 曾 巩 后汉书. 范滂传n离我们最近的恒星离我们最近的恒星 南门二（半人马座南门二（半人马座 ） 三合星（聚星），其中三合星（聚星），其中A、B星相互星相互较近，较亮，较近，较亮，4.35光年；光年；C星（比邻星）星（比邻星）4.28光年。光年。牛郎星距地球牛郎星距地球16.5光年，光年，织女星距地球织女星距地球26.3光年，光年，牛郎距织女牛郎距织女16光年。光年。n1834年发现，天狼星位置有周期变化，年发现，天狼星位置有周期变化，28年后发现伴星，年后发现伴星， 2.5吨吨/cm3 白矮星，白矮星，2万度万度（2）白矮星的形成）白矮星的形成主序星（主序星（100亿年）亿年）

9、红巨星红巨星 白矮星白矮星中心中心1500万度万度 H He（外层膨胀）（外层膨胀） H He（内核收缩，（内核收缩， 温度达温度达1亿度）亿度） He C、O 聚变：聚变： He C , O 100万年万年 氦闪：氦闪： 未发现未发现1刹那刹那=1念念=0.018秒秒1瞬间瞬间=20念念=0.36秒秒1弹指弹指=20瞬间瞬间=7.2秒秒1罗预罗预=20弹指弹指=2.4分分1须臾须臾=20罗预罗预=48分分1昼夜昼夜=30须臾须臾=24小时小时n中心部分聚变成中心部分聚变成C、O之后，之后，红巨星继续膨胀，抛出的气红巨星继续膨胀，抛出的气体形成行星状星云。体形成行星状星云。n 红巨星外层新生成

10、的红巨星外层新生成的C、O不断落向星体中心，终于导不断落向星体中心，终于导致内核坍缩成为白矮星。致内核坍缩成为白矮星。（3）白矮星的原理与演化）白矮星的原理与演化 白矮星的支撑力：泡利斥力白矮星的支撑力：泡利斥力n电子自旋电子自旋 泡利不相容原理泡利不相容原理 电子自旋电子自旋 乌伦贝克，高斯密特（爱仑菲斯特）乌伦贝克，高斯密特（爱仑菲斯特） 1925（泡利的失误）（泡利的失误）n白矮星大量存在白矮星大量存在n白矮星靠电子间泡利不相容原理的斥力白矮星靠电子间泡利不相容原理的斥力支撑支撑n白矮星的结局白矮星的结局黑矮星黑矮星（4）钱德拉塞卡极限）钱德拉塞卡极限 1934年提出（年提出（24岁）岁

11、） 爱丁顿反对！爱丁顿反对！ 爱因斯坦也不赞同。爱因斯坦也不赞同。M4 . 1n1983年（年（73岁）获诺贝尔物理奖！岁）获诺贝尔物理奖！四、中子星与脉冲星四、中子星与脉冲星（1）中子星的预言）中子星的预言n中子的发现中子的发现 玻特（玻特（1930） 约里奥夫妇（约里奥夫妇（1931） 查德威克（查德威克（1932）n中子星的预言中子星的预言 朗道（朗道（1932） （几乎与钱德拉塞卡同时指出，白矮星（几乎与钱德拉塞卡同时指出，白矮星有质量上限，结论相似）有质量上限，结论相似）（2）奥本海默极限）奥本海默极限 中子星中子星 继续坍缩（继续坍缩（1939年）年）奥本海默极限奥本海默极限 约约

12、中子星密度中子星密度 110亿吨亿吨/cm3MM4 . 1MM3M3（3）脉冲星的发现）脉冲星的发现 休伊士，贝尔（休伊士，贝尔（1967） 巡天观测，巡天观测，“小绿人小绿人”（4）脉冲星就是中子星）脉冲星就是中子星n中子星磁场极强中子星磁场极强n自转轴与磁轴不重合自转轴与磁轴不重合n自转极快（恒星收缩时角动量守恒）自转极快（恒星收缩时角动量守恒） 660转转/秒秒（5）中子星的构造）中子星的构造n中子星就像一个大汤姆孙原子中子星就像一个大汤姆孙原子n中子星可以看作周期表中的稳定岛？中子星可以看作周期表中的稳定岛？n表面没有山峰表面没有山峰n表面大气层厚度表面大气层厚度0.110cmn表面温

13、度表面温度1000万度万度五、超新星爆发五、超新星爆发（1）最早的超新星纪录）最早的超新星纪录 公元公元1054年，金牛座超新星爆发，年，金牛座超新星爆发，23天白日可见，天白日可见，2年晚上仍可见。年晚上仍可见。蟹状星云（蟹状星云（1731年发现）年发现） 1731年，英国的一个医生发现蟹状星云。年，英国的一个医生发现蟹状星云。1919年，认识到蟹状星云为年，认识到蟹状星云为1054年超新年超新星爆发遗迹。星爆发遗迹。 1928年，测出膨胀速度年，测出膨胀速度1100公里公里/秒，认秒，认识到中心小暗星为爆发残留物。识到中心小暗星为爆发残留物。 1968年，发现小暗星是脉冲星。年，发现小暗星

14、是脉冲星。 结论：超新星爆发结论：超新星爆发 中子星（脉冲星）中子星（脉冲星）（2）超新星简介）超新星简介n银河系平均银河系平均 4 颗颗/百年百年n1天发的光天发的光=太阳太阳1亿年发的光亿年发的光超新星爆发超新星爆发n爆发过程爆发过程主序星主序星 超红巨星（中心超红巨星（中心30亿度，形成铁核）亿度，形成铁核） 白矮星状态铁核白矮星状态铁核 如铁核如铁核 会突然坍缩，会突然坍缩，0.1秒内秒内 升温达升温达50亿度（形成中子态）亿度（形成中子态） 非中子化外层坍缩砸在核上，发生反非中子化外层坍缩砸在核上，发生反 弹，即超新星爆发弹，即超新星爆发 中子星或黑洞中子星或黑洞M4 . 1 MM8

15、（3）超新星与地球）超新星与地球 构成固体行星的重元素是超行星爆发构成固体行星的重元素是超行星爆发的产物，爆发时抛入太空，被恒星吸引，的产物，爆发时抛入太空，被恒星吸引，聚集成行星。聚集成行星。（4）中国现代对超新星的观测）中国现代对超新星的观测 北京天文台，李卫东北京天文台，李卫东（5）是否存在夸克星或奇异星）是否存在夸克星或奇异星n对中子星的疑问：对中子星的疑问：为何观测到的脉冲星质量均在为何观测到的脉冲星质量均在 左右？左右？是否存在其他致密星？是否存在其他致密星？n有人认为中子态并非基态，基态是奇异夸有人认为中子态并非基态，基态是奇异夸克态克态中子星中子星 夸克星（中心是夸克汤）夸克星

16、（中心是夸克汤）n为何钱德拉塞卡极限与奥本海默极限接近？为何钱德拉塞卡极限与奥本海默极限接近？M4 . 1（6）黑洞的形成）黑洞的形成 奥本海默极限奥本海默极限坍缩星体质量坍缩星体质量 奥本海默极限奥本海默极限 物质坍缩进引力半径物质坍缩进引力半径 黑洞黑洞惠勒反对；内爆模拟证明奥本海默对！惠勒反对；内爆模拟证明奥本海默对！M322cGMrg黑洞的大小黑洞的大小太阳引力半径太阳引力半径 半径半径3公里公里地球引力半径地球引力半径 半径半径1cm月球引力半径月球引力半径 半径半径0.1mm（引力半径即星体坍缩成的黑洞的半径）（引力半径即星体坍缩成的黑洞的半径）六、对黑洞的早期认识六、对黑洞的早期

17、认识1、球对称黑洞、球对称黑洞1915 广义相对论广义相对论1916 史瓦西得到静态球对称解史瓦西得到静态球对称解史瓦西解史瓦西解平直时空平直时空 奇点奇点 真奇异真奇异 奇面奇面 假奇异假奇异222222222sindrdrdrdtcds222222122222sin)21 ()21 (drdrdrrcGMdtcrcGMds0r2/2cGMr n史瓦西黑洞史瓦西黑洞 奇点（曲率发散）奇点（曲率发散） 奇面（曲率不发散）奇面（曲率不发散）0r22cGMr 无限红移面无限红移面当星球形成黑洞时，当星球形成黑洞时， 此时此时 ，rcGMddt221/rcGM202122cGMr dt0星球表面处的

18、时间星球表面处的时间无穷远观测者收到的光的频率无穷远观测者收到的光的频率星体发出的光的频率星体发出的光的频率无穷远观测者时间无穷远观测者时间事件视界（类光超曲面，事件视界（类光超曲面，零超曲面）零超曲面）n法矢量倒在了曲面上，法矢量倒在了曲面上，与一个切矢量重合与一个切矢量重合n法矢量长度为零法矢量长度为零n视界以内的任何物体视界以内的任何物体和信号均不能跑出视和信号均不能跑出视界界n时空坐标互换时空坐标互换 - + + + + - + + 洞外洞外 r r空间空间 t t时间时间 洞内洞内 r r时间时间 t t空间空间222222122222sin)21 ()21 (drdrdrrcGMd

19、tcrcGMds22cGMr 22cGMr 单向膜区单向膜区n洞内是单向膜区洞内是单向膜区n时间指向奇点时间指向奇点n进入黑洞的物体不能停留，落向奇点进入黑洞的物体不能停留，落向奇点（与时俱进！）（与时俱进！）n黑洞内部全是真空黑洞内部全是真空nr=0不是球心，而是时间的终点不是球心，而是时间的终点黑洞表面黑洞表面n事件视界事件视界n单向膜区的起点单向膜区的起点n无限红移面无限红移面落向黑洞的火箭落向黑洞的火箭无穷远观测者：火箭越来越慢，越来越红，越来越暗无穷远观测者：火箭越来越慢，越来越红，越来越暗火箭上的飞行员：穿过视界进入黑洞，潮汐力不断加大火箭上的飞行员：穿过视界进入黑洞，潮汐力不断加

20、大r22cGMr （视界）（视界） r=0奇点奇点潮汐力潮汐力n 的黑洞，在洞外距奇点的黑洞，在洞外距奇点12公里处公里处从静止开始自由下落的质点，从静止开始自由下落的质点，4.7微秒后微秒后到达视界，到达视界，5.3微秒后到达奇点。微秒后到达奇点。M1n火箭上的人：感到潮汐力增大，被撕碎火箭上的人：感到潮汐力增大，被撕碎压入奇点，时间终结。压入奇点，时间终结。n洞外的人：火箭冻结在黑洞表面，并未洞外的人：火箭冻结在黑洞表面，并未进入黑洞，但消失在黑暗中。进入黑洞，但消失在黑暗中。白洞白洞n单向膜区，时间箭头向外单向膜区，时间箭头向外nr=0是时间的起点是时间的起点2、转动和带电的黑洞、转动和带电的黑洞（1）带电的黑洞）带电的黑洞n两个视界两个视界n奇点奇点r=0n单向膜区在单向膜区在r+与与r-之间之间n 回到不带电的史瓦西黑洞回到不带电的史瓦西黑洞n 极端黑洞，极端黑洞，n 裸奇点裸奇点2222224()rMMQGMGMGQrccc 0QMQ MQ Mrr（2）转动的黑洞（）转动的黑洞（Kerr黑洞）黑洞）n两个视界两个视界 ，