理学4致密天体1ppt模版课件

*1 第四章 致密天体 1.白矮 星 2.中子星 3.脉冲星 4.黑 洞 孔 旭 /xkong/introast/ 白矮星 BPM37093 有着一个 D=3000km 的钻石内核 *2 Studying this chapter will enable you to: nDescribe the properties of neutron stars and explain how these strange objects are formed. nExplain the nature and origin of pulsars and account for their characteristic radiation. nDescribe how black holes are formed and discuss their effects on matter and radiation in their vicinity. nRelate the phenomena that occur near black holes due to the warping of space around them. nDiscuss the difficulties in observing black holes and explain some of the ways in which the presence of a black hole might be detect *3 *4 致密天体： n恒星演化晚期，中心 核聚变停止 n热压力减小，不足于 抗衡引力 n引力导致塌缩，形成 致密的天体 n白矮星、中子星、黑 洞 n引力塌缩的产物取决 于塌缩前星体的质量 *5 致密天体与正常恒星区别： n不再发生热核反应：热压力减小，不能靠热 压力来反抗自身的引力塌缩 n尺度非常小的天体：与相同质量的正常恒星 相比，其半径小得多，表面引力场很强 n白矮星和中子星核心区域处于简并状态 *6 电子简并 电子简并情况： fi(p)为第i种粒子分布函数,是动量p的函数： 根据量子统计理论,热平衡时第i种粒子数密度为： 电子在动量空 间里充满一个 半径为pF的费 米球. pF为最高动量 值,费米动量 *7 电子气体简并压： 将自由电子数密度写成元素丰度表示的形式: 简并气体 的压力与 温度无关 *8 简并条件 n温度一定，密度越大越容易简并 n密度一定，温度越低越容易简并 n温度、密度一定，粒子质量越小越容易简并 系统中粒子的德布罗意波长大 于or等于粒子之间的平均距离 ： 相对论情况 *9 白矮星 发现 形成 质量 特征 分类 *10 n 白矮星(White Dwarf)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 n白矮星是一种很特殊的天体，它的体积小、亮 度低，但质量大、密度极高 n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 n目前人们已经观测发现的白矮星有1000多颗 n白矮星的质量上限是1.44M_sun *11 白矮星的发现 n天狼星(Sirius)移动轨迹的波浪形 n1844年，F. Bessel推测存在一个 看不见的伴星 n1862年，Clark观测证实 ，天狼 星是一个双星系统 n1915年，W. Adams拍摄Sirius-B 的光谱 n蓝白色热星，光度只有天狼星的 千分之一 *12 天狼星（Sirius）双星 周期 Porb= 50 yr 表面温度27000K(B)和 9910K(A) 天狼A:mv =1.45m,Mv =1.4m 天狼B:mv = 8.68m, Mv = 11.6m Sirius in X-ray r = 3.8106 g cm-3 轨道运动 M = 1.05 M Teff = 2.6104 K R5108 cm Sirius in optical *13 Mass1.1 M_sun Radius0.008 R_sun 总总光度 0.04 L_sun 表面温度 24,000 K 平均密度 3x109 kg/m3 Sirius B A Nearby White Dwarf *14 白矮星的形成 n白矮星是中低质量的恒星的演化路线的终点 n红巨星阶段的末期，外包层形成行星状星云 n重力会压缩恒星中心产生一个高密度的天体 *15 White dwarfs cool off and grow dimmer with time *16 白矮星模型 n爱丁顿1926年提出 q白矮星质量与太阳相同,但半径比天王星(体积为地球65倍)还小 q白矮星在宇宙中可能会很丰富,因为已知白矮星都在太阳周围 n1926年,狄拉克给出了Fermi-Dirac统计 q费米子(自旋为半奇数的粒子 )所依从的统计规律。 nFowler在一个月后建立了一个基于费米-狄拉克统计的 白矮星模型:电子简并压可支持恒星的引力塌缩 n实际的白矮星模型由钱德拉塞卡1930年完成,考虑了狭 义相对论对简并电子的物态方程的影响 n1931年,钱德拉塞卡发现了白矮星的质量上限1.4M *17 钱德拉塞卡极限：白矮星质量上限 n假设星体密度是常量。长度为R，截面为单位面积 的圆柱体，所受到的总重力为： 1931年,钱德拉塞卡经过严格理论计算,得出： *18 Subrahmanyan Chandrasekhar n1910年10月19日1995年8月15日 n印度裔美籍物理学家和天体物理学家 n1983年获得诺贝尔物理学奖 n钱德拉X射线天文台；小行星 n19521971年天体物理学杂志主编 n1935年皇家天文学会的会议上：一颗质量大的恒 星不会停留在白矮星阶段，我们应该考虑其他的 可能性。 n爱丁顿称“荒谬的理论”。还把他论文撕成了两半 n世界就是这样结束的，不是伴着一声巨响，而是 伴着一声呜咽。 *19 Subrahmanyan Chandrasekhar n差不多30年后， 钱德拉塞卡极限”的发 现得到了天体物理学界的公认。然后又 过了20年，钱德拉塞卡获得了诺贝尔奖 n“假定当时爱丁顿同意自然界有黑洞 这种结局对天文学是有益处的。” ；“但我不认为对我个人有益。爱丁顿 的赞美之词将使我那时在科学界的地位 有根本的改变但我的确不知道，在 那种诱惑的魔力面前我会怎么样。” n简单是真实的标记，而美是真 理的光辉 *20 Arthur Stanley Eddington 1882/12/28-1944/11/22 n自然界密实（非中空）物体的发 光强度极限被命名为“爱丁顿极限”。 n1920年，爱丁顿第一个提出恒星的能量来源于核聚变 n经过数学模型计算，解释了造父变星的变化周期理论 。 n第一个用英语宣讲相对论的科学家 n观测1919年5月29日的日全食，验证广义相对论理论 ，太阳的重力会使光线弯曲。 n当时有一个传说：有记者问爱丁顿说是否全世界只有 三个人真正懂得相对论，爱丁顿回答“谁是第三个人？ ” *21 白矮星特征 n在H-R图上，白矮星位于主序带 的左下方 n绝对星等Mv 8m-16m；有效温度 Teff 5103- 4104 K n结构 u质量M 0.2-1.1 M u半径R 5108-109 cm u密度105-107 gcm-3 n自转周期 P10 sec nRM1/3 质量越大，半径越小 *22 nD来表示，并细分为 许多次型，如： qDA富氢的、 qDB富氦的、 qDF富钙的 qDP强磁场的 白矮星分类 *23 Size of a White Dwarf WD with same mass as Sun are about same size as Earth Higher mass white dwarfs are smaller *24 Thought Question What happens to a white dwarf when it accretes enough matter to reach the 1.4 MSun limit? A. It explodes B. It collapses into a neutron star C. It gradually begins fusing carbon in its core *25 What can happen to a white dwarf in a close binary system? nStar that started with less mass gains mass from its companion nEventually the mass- losing star will become a white dwarf nWhat happens next? *26 Accretion Disks nMass falling toward a white dwarf from its close binary companion has some angular momentum The matter therefore orbits the white dwarf in an accretion disk Friction between orbiting rings of matter in the disk transfers angular momentum outward and causes the disk to heat up and glow *27 Nova nThe temperature of accreted matter eventually becomes hot enough for hydrogen fusion nFusion begins suddenly and explosively, causing a nova *28 Nova nThe nova star system temporarily appears much brighter nThe explosion drives accreted matter out into space *29 Nova or Supernova? nSupernovae are MUCH MUCH more luminous! (about 10 million times) nNova: H to He fusion of a layer of accreted matter, white dwarf left intact nSupernova: complete explosion of white dwarf, nothing left behind nCarbon fusion suddenly begins as white dwarf in close binary system reaches white dwarf limit, causing total explosion *30 第四章 致密天体 1.白矮 星 2.中子星 3.脉冲星 4.黑 洞 /xkong/introast/ *31 中子星 *32 Walter Baade （1893-1960） Lev D. Landau （1908-1968 ） 研究简史：理论走在观测前面 n1932年：卡文迪许实验室Chadwick发 现中子 n1932年：前苏联Landau预言简并中子 星存在 n1934年：德国Baade和瑞士Zwicky提 出“超新星爆发后的核心形成中子星 ” n1939年：美国Oppenheimer和Volkoff 计算出第一个中子星理论模型。 *33 Fritz Zwicky （1898-1974 ） n1967年：剑桥的研究生J. Bell发现 第一颗射电脉冲星 PSR 1919+21 中子星 n1968年：Gold提出旋转中子星的 脉冲星模型 Jocelyn Bell 1943 Thomas Gold *34 中子星的形成 n中心质量超过钱德拉塞卡极限的恒星 n核燃料耗尽以后，电子简并压 引力 n不能形成稳定的白矮星，会继续坍缩 n密度进一步增加，逆衰变开始发生 高能电子质子中子+中微子 *35 n简并时，第二步反应受到Pauli不 相容原理的抑制 n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 n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 n最终形成主要由中子组成的稳定 星体中子星 *36 A neutron star is the ball of neutrons left behind by a massive-star supernova Degeneracy pressure of neutrons supports a neutron star against gravity *37 Electron degeneracy pressure goes away because electrons combine with protons, making neutrons and neutrinos Neutrons collapse to the center, forming a neutron star *38 中子星的结构 106 gcm-3 41011gcm-3 2 1014gcm- 3 1015gcm-3 特征质量M 1.4 M, 半径R 10 km。由外向内依次为： n表层：很薄的一层等离子体 cm n外壳：固体外壳，主要由Fe原 子核的晶点阵和简并自由电子 气构成； 0.3 km n内壳：重核晶格，超流自由中 子和自由电子 0.6 km n内部：超流中子流体，并杂有 少量超流质子、电子、子 n核心：超子/奇异物质？ *39 n中子星可以 看成一个巨 原子核，由 1057 个核子 构成。中子 处于简并状 态。 n在中子星内 部支撑星体 与引力抗衡 的是中子简 并压力。 *40 中子星特征 n中子数密度： n物质密度： n星体半径： n质量上限：静态2.2M ，旋转中子星2.9M n自转：角动量守恒，中子星自转速度很高 n磁场：磁通量守恒，中子星表面磁场很强 BR2const. B=1G; B=1010G *41 *42 Neutron stars are not much larger than many of Earths major cities. In this fanciful comparison, a typical neutron star sits alongside Manhattan Island. *43 *44 1.The density of a neutron star is comparable to the density of an atomic nucleus. 2.As a result of their high masses and small sizes, neutron stars have only weak gravitational pulls at their surfaces. 3. Newly formed neutron stars have extremely strong magnetic SELF-TEST: TRUE OR FALSE? *45 第四章 致密天体 1.白矮 星 2.中子星 3.脉冲星 4.黑 洞 /xkong/introast/ *46 脉冲星 *47 脉冲星发现 n1967年，英国剑桥新建造了射 电望远镜，观测射电辐射受行 星际物质的影响。A. Hewish(休 伊什) n1967年7月，投入使用，观测波 长为3.7米,射电波段。 n1967.11研究生乔斯琳贝尔(J. Bell)在观测的过程中，发现了 一系列的奇怪的脉冲，这些脉 冲的时间间距精确的相等。 *48 n随后，贝尔又发现了天空中的另外几个这样的天区。一种 新型的还不被人们认识的天体脉冲星PSR 1919+21. n1974年，脉冲星发现获得了诺贝尔物理奖 q赖尔 + 休伊什 qNobel Prize =No Bell Prize q在脉冲星的发现中，起关键作用的应该是贝尔小姐的 严谨的科学态度和极度细心的观测 *49 1968年发现的 蟹状星云中的 脉冲星PSR 0531 + 21 脉 冲周期为33 ms. *50 n脉冲星主要集中分布在 银道面附近，河内天体 。 n脉冲周期短，而且相当 稳定：周期P 1ms -10s n脉冲周期总是随时间缓 慢增长：dP/dt=10-15 n大部分为单星，约60颗 位于双星系统中质量 n射电辐射能谱为同步 曲率辐射产生的幂律谱 观测特征 *51 物理模型： 有很强磁场的快速自转着的中子星 n星体不被瓦解的必要条件：星体 表面物质受到的离心力小于引力 *52 物理模型： 有很强磁场的快速自转着的中子星 n白矮星的脉动、双星系统 也不能产生稳定的短周期 脉动 n黑洞稳定的短周期脉动无 周期性的辐射，不能产生 All pulsars are neutron stars, but not all neutron stars are pulsars, 1)the two ingredients that make the neutron star pulserapid rotation and strong magnetic