4致密天体-1.ppt

2020 2 18 xkong 1 第四章致密天体 白矮星中子星脉冲星黑洞 孔旭xkong 白矮星BPM37093有着一个D 3000km的钻石内核 2020 2 18 xkong 2 Studyingthischapterwillenableyouto Describethepropertiesofneutronstarsandexplainhowthesestrangeobjectsareformed Explainthenatureandoriginofpulsarsandaccountfortheircharacteristicradiation Describehowblackholesareformedanddiscusstheireffectsonmatterandradiationintheirvicinity Relatethephenomenathatoccurnearblackholesduetothewarpingofspacearoundthem Discussthedifficultiesinobservingblackholesandexplainsomeofthewaysinwhichthepresenceofablackholemightbedetect 2020 2 18 xkong 3 2020 2 18 xkong 4 致密天体 恒星演化晚期 中心核聚变停止热压力减小 不足于抗衡引力引力导致塌缩 形成致密的天体白矮星 中子星 黑洞引力塌缩的产物取决于塌缩前星体的质量 2020 2 18 xkong 5 致密天体与正常恒星区别 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 表面引力场很强白矮星和中子星核心区域处于简并状态 2020 2 18 xkong 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 2020 2 18 xkong 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 2020 2 18 xkong 8 简并条件 温度一定 密度越大越容易简并密度一定 温度越低越容易简并温度 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 2020 2 18 xkong 9 白矮星 发现形成质量特征分类 2020 2 18 xkong 10 白矮星 WhiteDwarf 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 sun 2020 2 18 xkong 11 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 2020 2 18 xkong 12 天狼星 Sirius 双星周期Porb 50yr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 SiriusinX ray r 3 8 106gcm 3 轨道运动 M 1 05M Teff 2 6 104K R 5 108cm Siriusinoptical 2020 2 18 xkong 13 SiriusB ANearbyWhiteDwarf 2020 2 18 xkong 14 白矮星的形成 白矮星是中低质量的恒星的演化路线的终点红巨星阶段的末期 外包层形成行星状星云重力会压缩恒星中心产生一个高密度的天体 2020 2 18 xkong 15 Whitedwarfscooloffandgrowdimmerwithtime 2020 2 18 xkong 16 白矮星模型 爱丁顿1926年提出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1926年 狄拉克给出了Fermi Dirac统计费米子 自旋为半奇数的粒子 所依从的统计规律 Fowler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1931年 钱德拉塞卡发现了白矮星的质量上限1 4M 2020 2 18 xkong 17 钱德拉塞卡极限 白矮星质量上限 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 2020 2 18 xkong 18 SubrahmanyanChandrasekhar 1910年10月19日 1995年8月15日印度裔美籍物理学家和天体物理学家1983年获得诺贝尔物理学奖钱德拉X射线天文台 小行星1952 1971年天体物理学杂志主编1935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 爱丁顿称 荒谬的理论 还把他论文撕成了两半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 2020 2 18 xkong 19 SubrahmanyanChandrasekhar 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 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 简单是真实的标记 而美是真理的光辉 2020 2 18 xkong 20 ArthurStanleyEddington1882 12 28 1944 11 22 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 1920年 爱丁顿第一个提出恒星的能量来源于核聚变经过数学模型计算 解释了造父变星的变化周期理论 第一个用英语宣讲相对论的科学家观测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 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 2020 2 18 xkong 21 白矮星特征 在H R图上 白矮星位于主序带的左下方绝对星等Mv 8m 16m 有效温度Teff 5 103 4 104K结构质量M 0 2 1 1M 半径R 5 108 109cm密度 105 107gcm 3自转周期P 10secR M1 3质量越大 半径越小 2020 2 18 xkong 22 D来表示 并细分为许多次型 如 DA 富氢的 DB 富氦的 DF 富钙的DP 强磁场的 白矮星分类 2020 2 18 xkong 23 SizeofaWhiteDwarf WDwithsamemassasSunareaboutsamesizeasEarthHighermasswhitedwarfsaresmaller 2020 2 18 xkong 24 ThoughtQuestion Whathappenstoawhitedwarfwhenitaccretesenoughmattertoreachthe1 4MSunlimit A ItexplodesB ItcollapsesintoaneutronstarC Itgraduallybeginsfusingcarboninitscore 2020 2 18 xkong 25 Whatcanhappentoawhitedwarfinaclosebinarysystem StarthatstartedwithlessmassgainsmassfromitscompanionEventuallythemass losingstarwillbecomeawhitedwarfWhathappensnext 2020 2 18 xkong 26 AccretionDisks Massfallingtowardawhitedwarffromitsclosebinarycompanionhassomeangularmomentum ThematterthereforeorbitsthewhitedwarfinanaccretiondiskFrictionbetweenorbitingringsofmatterinthedisktransfersangularmomentumoutwardandcausesthedisktoheatupandglow 2020 2 18 xkong 27 Nova ThetemperatureofaccretedmattereventuallybecomeshotenoughforhydrogenfusionFusionbeginssuddenlyandexplosively causinganova 2020 2 18 xkong 28 Nova ThenovastarsystemtemporarilyappearsmuchbrighterTheexplosiondrivesaccretedmatteroutintospace 2020 2 18 xkong 29 NovaorSupernova SupernovaeareMUCHMUCHmoreluminous about10milliontimes Nova HtoHefusionofalayerofaccretedmatter whitedwarfleftintactSupernova completeexplosionofwhitedwarf nothingleftbehindCarbonfusionsuddenlybeginsaswhitedwarfinclosebinarysystemreacheswhitedwarflimit causingtotalexplosion 2020 2 18 xkong 30 第四章致密天体 白矮星中子星脉冲星黑洞 2020 2 18 xkong 31 中子星 2020 2 18 xkong 32 WalterBaade 1893 1960 LevD Landau 1908 1968 研究简史 理论走在观测前面 1932年 卡文迪许实验室Chadwick发现中子1932年 前苏联Landau预言简并中子星存在1934年 德国Baade和瑞士Zwicky提出 超新星爆发后的核心形成中子星 1939年 美国Oppenheimer和Volkoff计算出第一个中子星理论模型 2020 2 18 xkong 33 FritzZwicky 1898 1974 1967年 剑桥的研究生J Bell发现第一颗射电脉冲星PSR1919 21 中子星1968年 Gold提出旋转中子星的脉冲星模型 JocelynBell1943 ThomasGold 2020 2 18 xkong 34 中子星的形成 中心质量超过钱德拉塞卡极限的恒星核燃料耗尽以后 电子简并压 引力不能形成稳定的白矮星 会继续坍缩密度进一步增加 逆 衰变开始发生高能电子 质子 中子 中微子 2020 2 18 xkong 35 简并时 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 4 1011gcm 3 中子从原子核中滴出当 n 1014gcm 3 原子核瓦解 形成中子海洋最终形成主要由中子组成的稳定星体 中子星 2020 2 18 xkong 36 Aneutronstaristheballofneutronsleftbehindbyamassive starsupernovaDegeneracypressureofneutronssupportsaneutronstaragainstgravity 2020 2 18 xkong 37 Electrondegeneracypressuregoesawaybecauseelectronscombinewithprotons makingneutronsandneutrinosNeutronscollapsetothecenter forminganeutronstar 2020 2 18 xkong 38 中子星的结构 106gcm 34 1011gcm 32 1014gcm 31015gcm 3 特征质量M 1 4M 半径R 10km 由外向内依次为 表层 很薄的一层等离子体 cm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 3km内壳 重核晶格 超流自由中子和自由电子 0 6km内部 超流中子流体 并杂有少量超流质子 电子 子核心 超子 奇异物质 2020 2 18 xkong 39 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 在中子星内部支撑星体与引力抗衡的是中子简并压力 2020 2 18 xkong 40 中子星特征 中子数密度 物质密度 星体半径 质量上限 静态2 2M 旋转中子星2 9M 自转 角动量守恒 中子星自转速度很高磁场 磁通量守恒 中子星表面磁场很强BR2 const B 1G B 10 10G 2020 2 18 xkong 41 2020 2 18 xkong 42 NeutronstarsarenotmuchlargerthanmanyofEarth smajorcities Inthisfancifulcomparison atypicalneutronstarsitsalongsideManhattanIsland 2020 2 18 xkong 43 2020 2 18 xkong 44 Thedensityofaneutronstariscomparabletothedensityofanatomicnucleus Asaresultoftheirhighmassesandsmallsizes neutronstarshaveonlyweakgravitationalpullsattheirsurfaces Newlyformedneutronstarshaveextremelystrongmagnetic SELF TEST TRUEORFALSE 2020 2 18 xkong 45 第四章致密天体 白矮星中子星脉冲星黑洞 2020 2 18 xkong 46 脉冲星 2020 2 18 xkong 47 脉冲星发现 1967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 1967年7月 投入使用 观测波长为3 7米 射电波段 1967 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 2020 2 18 xkong 48 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PSR1919 21 1974年 脉冲星发现获得了诺贝尔物理奖赖尔 休伊什NobelPrize NoBellPrize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 2020 2 18 xkong 49 1968年发现的蟹状星云中的脉冲星PSR0531 21脉冲周期为33ms 2020 2 18 xkong 50 脉冲星主要集中分布在银道面附近 河内天体 脉冲周期短 而且相当稳定 周期P 1ms 10s脉冲周期总是随时间缓慢增长 dP dt 10 15大部分为单星 约60颗位于双星系统中 质量射电辐射能谱为同步 曲率辐射产生的幂律谱 观测特征 2020 2 18 xkong 51 物理模型 有很强磁场的快速自转着的中子星 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 2020 2 18 xkong 52 物理模型 有很强磁场的快速自转着的中子星 白矮星的脉动 双星系统也不能产生稳定的短周期脉动黑洞稳定的短周期脉动无周期性的辐射 不能产生 Allpulsarsareneutronstars butnotallneutronstarsarepulsars 1 thetwoingredientsthatmaketheneutronstarpulse rapidrotationandstrongmagneticfield bothdiminishwithtime2 evenayou