第三篇太阳和恒星世界致密天体

第三篇太阳和恒星世界（4）

—致密天体

§1白矮星§2中子星§3黑洞§1白矮星(whitedwarfs)白矮星是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为它的颜色呈白色、体积比较小(矮)，因此被命名为白矮星

；最早被发现的白矮星是天狼星伴星,它的体积比地球大不了多少，但质量却和太阳差不多；目前人们已经观测发现的白矮星有1000多颗；白矮星的质量上限是1.44M⊙。1.白矮星的发现天狼星(Sirius)移动轨迹的波浪形1844年，F.Bessel推测存在一个看不见的伴星1862年，Clark观测证实，天狼星是一个双星系统1915年，W.Adams拍摄Sirius-B的光谱蓝白色热星，光度只有天狼星的千分之一天狼星（Sirius）双星，Porb=50yr天狼A：mv

=－1.45m，Mv=1.4m

天狼B：mv

=8.68m，Mv=11.6m

Teff

=2.6×104K→R≈5×108cm轨道运动→M=1.05M⊙→ρ=3.8×103kgcm-3

SiriusinopticalandX-ray2.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中的白矮星形成主序星红巨星行星状星云白矮星黑矮星结构：质量：M~0.2-1.1M⊙（平均~0.6M⊙）半径：R~5×103-104km密度：ρ~102-104kgcm-3

自转周期：

P≥10sec3.简并电子气与钱德拉塞卡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)5/3~ρ5/3

相对论性情形：Pe~ncp~ρ4/3泡利不相容原理能级1能级2自旋向下自旋向上客满客满质量越大，半径越小!压力dP/dR~P/R~ρ5/3/R~M5/3/R6引力g~ρM/R2~M2/R5(2)质量-半径关系dP/dR~P/R~ρ4/3/R~M4/3/R6g~ρM/R2~M2/R5(3)Chandrasekhar极限随着白矮星质量增大和半径减小，电子积压在更小的空间内，简并电子气运动变成相对论性的。→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，Mch≈1.44M⊙对CO白矮星，Mch≈1.4M⊙1932，朗道预言，1935钱德拉塞卡计算1983诺贝尔物理学奖太阳质量的白矮星白矮星的引力红移白矮星表面引力场很强光子离开表面克服引力损失能量（光子的能量E=hν）能量减少，频率降低波长变长谱线红移引力红移。引力红移是由于引力场引起的，而多普勒红移是由于光源的运动引起的。天狼星B（引力红移89km/s）和波江40B（23.9km/s）的引力红移的观测值和理论预言符合广义相对论的主要天文验证。§2中子星

(Neutronstars)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，司天监言：客星没，客去之兆也。初，至和元年（1054年）五月，晨出东方，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(朗道)预言简并中子流体的存在。1934年W.Baade（巴德）和F.Zwicky（兹维基）预言超新星爆发产生中子星(?) “…supernovaerepresentthetransitionsfromordinarystarsintoneutronstars,whichintheirfinalstagesconsistofextremelycloselypackedneutrons.”

PHYSICALREVIEW,VOL.4,JANUARY15,1934

1939年J.R.Oppenheimer（奥本海默）计算出第一个中子星理论模型。1967年J.Bell（贝尔）发现第一颗射电脉冲星PSR1919+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CenX–3.1974年R.Hulse和J.Taylor发现双中子星射电脉冲星PSR1913+161982年D.Backer等人首次发现毫秒射电脉冲星

2.

中子星的形成高质量(>8-10M⊙

)恒星内部的核反应过程在恒星中心形成Fe核II型超新星爆发，Fe核坍缩形成中子星，观测为脉冲星

中子的形成—URCA过程（逆β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→原子核易分裂当ρn=4×1011gcm-3,中子从原子核中滴出当ρn=1014gcm-3,原子核瓦解，形成中子海洋

3.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。中子质量是电子的1840倍，更高密度才简并，中子星半径比白矮星小得多，特征半径10-20km奥本海默极限质量：中子星也应有一个质量上限。但由于不了解极高密度的物态，所以质量的理论上限不确定，估计为～2-3M⊙。中子星质量不超过3.2M⊙。4.射电脉冲星

(Radiopulsars)(1)发现

1967年剑桥大学穆拉德射电天文台研究生JocelynBell利用A.Hewish（休伊什）领导研制的射电望远镜发现了第一颗射电脉冲星PSR1919+21，脉冲周期P＝1.3373sec。1968年发现位于船帆座（VelaNebula）超新星遗迹中的脉冲星PSR0833-45和蟹状星云（CrabNebula）中的脉冲星PSR0531+21，脉冲周期分别为89ms和33ms.CrabpulsaroffandonVelapulsar(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~1ms-10s,随时间缓慢增长。

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。毫秒脉冲星1982年贝克教授和库尔卡尼博士发现毫秒脉冲星PSR1937+214，周期最短，只有1.5578毫秒，自转每秒600次！宇宙中的旋转冠军中子星为什么自转那么快呢？Slow角动量守恒FastI=(3)物理模型—倾斜自转磁中子星辐射机制快速自转+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米歇尔（1783年,英国）：一个质量足够大并足够紧致的恒星，引力场将强大到连光线都不能逃逸任何从恒星表面发出的光还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来1969年美国科学家惠勒为描述这个思想提出了”黑洞”这一名词.§3黑洞(blackholes)

1.广义相对论和时空弯曲

1915年，Einstein发表广义相对论(generalrelativity)物质引力源时空弯曲(curvedspace)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。"mattertellsspacetimehowtocurve,andcurvedspacetimetellsmatterhowtomove"物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动!时空弯曲：Einstein'sTheoryofGeneralRelativity在越致密的天体附近，光线弯曲的程度越大。黑洞周围的时空弯曲程度最大黑洞附近的时空天体太阳白矮星中子星黑洞Rs/R10-5.410-410-11引力半径（gravitationalradius）在引力半径Rg内的光子无法逃逸。对Schwarzschild黑洞（不转黑洞），Rg=Rs=3km(M/M⊙)天体的致密程度可以用Rs/R表示。星体密度足够大时，即使物体速度达到光速仍然不能从它的表面逃离.地球的Schwarzchild半径：0.89cm2.Schwarzschild黑洞的基本性质结构中心奇点

(singularity)视界

(eventhorizon)

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1.5Rs的球面，各向同性辐射光子中的一半可以逃逸。黑洞的蒸发Hawkingradiation

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=1M⊙,t＝1067yr；当M=1015g,t＝1010yr宇宙极早期形成的小黑洞应已经蒸发掉.黑洞无毛发定理NoHairTheorem任何物体都有复杂性：如恒星的质量、光度、大小、密度、磁场、化学组成黑洞是最简单的统一的整体，黑洞几乎不保持形成它的物质（一旦进入视界，信息全无）所具有的任何复杂性质，谈论黑洞内物质的特性毫无疑义黑洞保持的物理参数只有质量、角动量和电荷，描述黑洞的全部特征，NoHairTheorem。(“三毛定理”)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（~2-3M⊙）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CygnusX-1强X射线源X射线辐射光变时标~1ms →辐射天体尺度<108cm →中子星或黑洞X射线双星气体落入黑洞的过程中释放引力势能，加热气体，辐射大量x射线

超大质量黑洞Supermassiveblackholes超大质量黑洞（星系级黑洞）位于活动星系核和正常星系中心，M~106-109

M⊙活动星系M87核心黑洞质量3x109

M⊙，

直径数光周正常星系NGC4261：核心黑洞质量1.2x109

M⊙，大小~太阳系银河系中心黑洞质量

~106

M⊙科学家观测到黑洞边界物质喷流观测到两星系合并迸射巨型黑洞科学家发现宇宙中最大黑洞质量为太阳的180亿倍银河系中心人马座SgrA*观测

两种方法:利用超大质量黑洞对背景星的引力透镜效应通过测量很靠近SgrA*的几颗恒星的加速度73Monday,May16,2011引力透镜效应，光线偏转银河恒星自行，测量恒星到SgrA*的距离和中心质量S2绕转银心需花时15.56年10/12/2022xkong@