天文学w14致密星体课件

亮星在赫罗图上的位置 1 类太阳恒星 氦闪 渐进巨星支 白矮星冷却 坍缩成白矮星 水平支 红巨星支 亚巨星支 2 观测表现 O型星 蓝超巨星 黄超巨星 红超巨星 超新星 3 不同初始质量恒星的演化结局 4 天文学第十四周致密星体 白矮星 中子星 黑洞 WhatAreCompactObjects 致密星 白矮星 中子星 和黑洞 当正常的星 死亡 的时候 也就是核燃料差不多用完的时候 它们 诞生 既然致密星不燃烧核燃料 那么它们就不能提供对抗引力塌缩的热压力 与正常星相比 致密星的尺度极小 密度极大 一 白矮星 whitedwarfs 1 发现第一颗 波江座 40EriB 天狼星 Sirius 双星 Porb 50yr天狼A 视星等 1 45m天狼B 视星等8 68m 光度相差1万倍M 0 978M R 8 4 10 3R 平均密度 3 1 109kgm 3相当于表面重力加速度logg 8 57 cm s2 SiriusinopticalandX ray 形成 2 白矮星基本特征1 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 结构 质量M 0 2 1 1M 平均 0 6M 半径R 5 108 109cm密度 108 1012kgm 3自转周期P 10sec 2 质量与太阳质量近似 半径与地球大小相近 密度奇高 1立方厘米重200吨 表面温度 约5 103 5 104K多数光谱型为A型 体积小 所以光度低 约为太阳的十分之一到千分之一 3 表面温度高 光度低 DA 含H丰富 如天蝎座ZZ变星 DB 含He丰富 如天狼星B DC 含C丰富 DF 含Ca丰富 DP 磁场很强 特别强 103 104T 的叫磁白矮星 4 化学成分差异很大 3 引力红移白矮星的奇异特性 引力红移 爱因斯坦广义相对论的一个推论 在远离引力场的地方观测引力场中的辐射源发射出来的光时 光谱的谱线向红端移动 白矮星半径很小 密度很大 引力场很强 光子离开表明克服引力要损失能量 故频率降低 波长变长 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 泡利不相容原理 由测不准原理 电子的动量非相对论性情形 Pe np2 5 3相对论性情形 Pe ncp 4 3 4 白矮星内部的物理状态高温 高压 高密 简并电子压与引力抗衡 质量越大 半径越小 压力dP dR P R 5 3 R M5 3 R6 引力g M R2 M2 R5 随着白矮星质量增大 简并电子气运动变成相对论性的 当质量增大 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C O白矮星 Mch 1 4M 5 白矮星的质量钱德拉塞卡 Chandrasekhar 极限 1 4m 6 白矮星发光的来源类似于正在冷却的余烬 白矮星是小质量恒星的归宿 内部停止了核反应 所有燃料都已经耗尽 为什么一些白矮星仍旧发光 白矮星是恒星燃烧后的遗迹 它的内部温度不为零 正类似于正在冷却的灰烬 其光辐射非常微弱 白矮星可以说是固化的 在许多方面类似于地球上的金属 所以 以白矮星为归宿的恒星能静静地安息在宇宙之中 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 二 中子星 NeutronStars 1932年L D Landau预言简并中子流体的存在 1934年W Baade和F Zwicky预言超新星爆发产生中子星 WalterBaade 1893 1960 FritzZwicky 1898 1974 LevD Landau 1908 1968 supernovaerepresentthetransitionsfromordinarystarsintoneutronstars whichintheirfinalstagesconsistofextremelycloselypackedneutrons PHYSICALREVIEW VOL 4 JANUARY15 1934 1939年J R Oppenheimer计算出第一个中子星理论模型 1967年 24岁的J Bell用3 7m的射电望远镜发现第一颗射电脉冲星PSR1919 21 周期1 337s 然后请教她的导师休伊什教授 开始研究像人脉搏的信号来源 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 1993年 泰勒 脉冲星 扉页 献给乔伊斯 贝尔 没有她的聪明和百折不挠 我们就分享不到研究脉冲星的幸运 NeutronStarintheSNR3C58 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 Fe核坍缩形成中子星 超新星爆发 3 中子星的结构 表层大气 cm外壳 0 3km 固态金属 Fe e 内壳 0 6km 原子核 游离中子 电子 内部 超流中子和超导质子核心 超子 奇异物质 特征质量M 1 4M 半径R 10km由外向内依次为 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 与一般恒星相比中子星的温度很高 热能可能是能量来源之一 其辐射也可能来自引力能或转动能 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年发现位于船帆座超新星遗迹 VelaNebula 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 Crabpulsaroffandon Velapulsar 2 射电脉冲星的主要观测特征 数目超过1500颗 集中分布在银道面附近 脉冲周期P 1ms 10s 随时间缓慢增长 周期导数dP dt 10 21 10 12ss 1 3 物理模型 倾斜自转磁中子星 灯塔效应 lighthouseeffect 4 研究进展 广义相对论验证1974年R Hulse和J Taylor发现双星射电脉冲星PSR1913 16 1995年获Nobel物理学奖 与广义相对论的预言一致 双星中子星绕转 引力波 能量和角动量损失 双星轨道收缩 毫秒脉冲星PSR1937 214周期1 558ms 一秒钟转642圈 目前已经发现了130颗左右的毫秒脉冲星快速旋转的解释 吸积 RecyclePulsars 脉冲星和行星系统1994年A Wolszczan发现PSR1257 12有行星系统 3颗行星 2大1小 M 3 9M Porb 67d M 3 2M Porb 98d太阳系外的第一个行星系统 天文学家认为是中子星从毁灭了的伴星残骸中捕获物质形成 磁星Magnetars SGRsandAXPsUltra magnetizedneutronstars 中子星和奇异星 strangestars 中子星双星 1976年天文学家发现了一些双星系统内有中子星 中子星 主序星或巨星 天文学家还发现了一些射电脉冲双星 中子星 白矮星 三 黑洞 BlackHoles 黑洞模型 1915年 Einstein发表广义相对论 generalrelativity 质量时空弯曲物质 引力源 时空弯曲 curvedspace 引力场强弱 时空弯曲程度例如 橡皮台球桌面放一石头 石头越重 台球桌面弯曲得越厉害 1 广义相对论和时空弯曲 黑洞周围的时空弯曲程度最大 TooClosetoaBlackHole NormalstarfieldcontainingtheconstellationOrion Thesamestarfieldbutwithablackholesuperposedinthecenteroftheframe 2黑洞的视界 史瓦西半径在引力半径Rg内的光子无法逃逸 黑洞的视界 任何物质一旦进入视界 便逃脱不了被吞噬的命运 不到1s就会被无穷大的引力碾得粉身碎骨 对Schwarzschild黑洞 不转黑洞 Rg Rs Schwarzschild半径 3km M M 地球质量的天体要变为黑洞 其视界半径小于1cm 太阳的约3km 在越致密的天体附近 光线弯曲的程度越大 3黑洞的一些性质 引力红移 时间延迟 在黑洞附近的时钟比远处的时钟走得慢 在视界处的时钟看上去完全停止 黑洞无毛定理No hairtheorem表征黑洞性质仅需三个物理参数 质量 角动量和电荷 Kerr黑洞 带电荷或旋转 黑洞面积不减定理黑洞可以合并 不可以分裂 黑洞的蒸发真空 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 1010 10亿 yr 小黑洞已经蒸发 一千吨级黑洞的寿命仅有1秒 Gamma射线暴和黑洞 4黑洞的探测 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 黑洞最佳候选者Cygnus 天鹅座 X 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 星系级黑洞 M 106 109M 通常位于星系核心 中等质量黑洞 ChandraX ra