物理与文化第九章天体物理学的新发展(简介)

1、文科文科物理物理相对论 的功勋们迈克尔孙迈克尔孙洛伦兹洛伦兹马赫马赫实验证实实验证实“以太以太”的没的没有有长度收缩长度收缩狭义相对论狭义相对论批评牛顿时空批评牛顿时空莫雷莫雷文科文科物理物理第九章第九章 天体物理学的新发展天体物理学的新发展( (简介简介) ) “世界上有两件东西能够深深地震撼我世界上有两件东西能够深深地震撼我们的心灵：一件是我们心中崇高的们的心灵：一件是我们心中崇高的道德道德准则准则；另一件是我们头顶上灿烂的；另一件是我们头顶上灿烂的星星空空”。 德国哲学家康德德国哲学家康德文科文科物理物理 物质结构按其空间尺度和质量大小可分为微观、宏观物质结构按其空间尺度和质量大小可分为

2、微观、宏观和宇观三大层次。在宇观层次中，是包括从小行星开和宇观三大层次。在宇观层次中，是包括从小行星开始，经过行星，恒星，星系，星系团，超级星系，直始，经过行星，恒星，星系，星系团，超级星系，直到可观察的宇宙。到可观察的宇宙。 和电磁相互作用不同，万有引力相互作用不能屏蔽和和电磁相互作用不同，万有引力相互作用不能屏蔽和中和，所以随着质量的增加，逐渐成为占支配地位的中和，所以随着质量的增加，逐渐成为占支配地位的相互作用。相互作用。文科文科物理物理 6060年代以来宇观领域的结构，性质，规律和演化已逐年代以来宇观领域的结构，性质，规律和演化已逐渐成为近代物理学研究的基本问题和前沿问题。渐成为近代物

3、理学研究的基本问题和前沿问题。 本章将着重介绍当前人们所关心的天体物理学方面的本章将着重介绍当前人们所关心的天体物理学方面的一些新的进展。一些新的进展。文科文科物理物理9.1 9.1 夜晚的天空为什么是黑暗的？夜晚的天空为什么是黑暗的？ 早在早在1720年到年到1823年期间英、法、德三国各有一位天年期间英、法、德三国各有一位天文家文家(分别是哈雷，切西亚赫，奥尔勃斯分别是哈雷，切西亚赫，奥尔勃斯)提出了如下命提出了如下命题：如果恒星大体上均匀分布于无限的宇宙空间，我题：如果恒星大体上均匀分布于无限的宇宙空间，我们从任何一个方向上去看，总会看到一颗星，因而总们从任何一个方向上去看，总会看到一颗

4、星，因而总是亮的，而不是黑暗的。换句话说，夜晚的天空到处是亮的，而不是黑暗的。换句话说，夜晚的天空到处都应该同太阳表面一样明亮！但事实远非如此。后来都应该同太阳表面一样明亮！但事实远非如此。后来这命题被称为这命题被称为“奥尔勃斯佯谬奥尔勃斯佯谬”。文科文科物理物理1.1.一种解释一种解释 19461946年，哈里森研究指出，在上述命题中，一个年，哈里森研究指出，在上述命题中，一个根本的错误是假定了恒星一直在发光。实际上一个恒根本的错误是假定了恒星一直在发光。实际上一个恒星从星际弥漫物质中开始形成，到发光，到内部核燃星从星际弥漫物质中开始形成，到发光，到内部核燃料烧完，最后恒星演化归宿到白矮星、

5、中子星料烧完，最后恒星演化归宿到白矮星、中子星( (见见9.3)9.3)或星洞。从生到死有一定寿命。一般估计恒星或星洞。从生到死有一定寿命。一般估计恒星发光寿命约发光寿命约t t* *100100亿年亿年(10(101010年年) )，它远比光离开恒星，它远比光离开恒星表面后到波吸收所所经过的平均时间表面后到波吸收所所经过的平均时间 ( (约约10102323年年) )小得小得多多( (t t* * ) )。文科文科物理物理 哈里森的计算表明：不考虑恒星有寿命时，星光传到哈里森的计算表明：不考虑恒星有寿命时，星光传到我们所在处叠加起来的总的辐射能量密度我们所在处叠加起来的总的辐射能量密度u等于

6、一颗等于一颗恒星表面的辐射能量密度恒星表面的辐射能量密度u*。考虑到有寿命时，则：。考虑到有寿命时，则： 可见可见u很小，观察不到。很小，观察不到。t*u = u*文科文科物理物理2. 另一种解释另一种解释 1964年也发现宇宙微波背景辐射充满宇宙空间，相当年也发现宇宙微波背景辐射充满宇宙空间，相当温度温度T 3K3K的黑体辐射。假如我们认为这种背景辐射的黑体辐射。假如我们认为这种背景辐射就是来自宇宙一切黑体贡献的总和，则由黑体辐射能就是来自宇宙一切黑体贡献的总和，则由黑体辐射能量密度公式，可估计量密度公式，可估计u u值：值： 其中其中TT 4 4为黑体的总辐射本领为黑体的总辐射本领( (见

7、见6-1-56-1-5式式) )。44u =Tc文科文科物理物理 也可用也可用 求得恒星表面的求得恒星表面的u*值，取值，取 T*6000K(6000K(太阳表面温度太阳表面温度) )可得：可得： 两种估计大致相符，这恐怕不是偶然的。两种估计大致相符，这恐怕不是偶然的。 44u =Tc4143()6 106000uu* 文科文科物理物理9.2 9.2 宇宙大爆炸理论，哈勃红移，宇宙宇宙大爆炸理论，哈勃红移，宇宙微波背景辐射及其他微波背景辐射及其他1. 宇宙大爆炸理论宇宙大爆炸理论 1948年物理学家伽莫夫首先提出：宇宙是从一个高宽年物理学家伽莫夫首先提出：宇宙是从一个高宽度的火球爆炸开始的。但

8、直到度的火球爆炸开始的。但直到20世纪世纪60年代初还很少年代初还很少有人相信。当时的一个主要根据是哈勃红移。孩子到有人相信。当时的一个主要根据是哈勃红移。孩子到1965年年3K微波背景辐射的发现，才使上述假设逐步发微波背景辐射的发现，才使上述假设逐步发展成为被公认的理论。展成为被公认的理论。 大爆炸理论基本思想大致如下：大爆炸理论基本思想大致如下： 文科文科物理物理 约在距今约在距今137亿年前，爆炸从一个密度无限大的奇点开亿年前，爆炸从一个密度无限大的奇点开始始约约10-35s后，后一个特别快速的膨胀过程后，后一个特别快速的膨胀过程(称暴胀称暴胀 )，当膨胀变慢后，宇宙充满了夸克和电子等基

9、本粒子当膨胀变慢后，宇宙充满了夸克和电子等基本粒子到到10-6s时，夸克结合成中子和质子等强子，他们约在时，夸克结合成中子和质子等强子，他们约在3分钟后形成原子核分钟后形成原子核约约38万年后，宇宙以冷却到温度万年后，宇宙以冷却到温度为为4000K左右，质子能俘获电子而形成中性的氢原子，左右，质子能俘获电子而形成中性的氢原子，这时原来从大爆炸产生的光子开始自由地运动而充满这时原来从大爆炸产生的光子开始自由地运动而充满宇宙空间宇宙空间50亿年后，星系形成，太阳系形成亿年后，星系形成，太阳系形成100亿亿年后，宇宙温度冷却到年后，宇宙温度冷却到2.7K，出现人类活动。，出现人类活动。(见下图见下图

10、)文科文科物理物理文科文科物理物理2. 大爆炸理论的大爆炸理论的5个依据个依据哈勃红移哈勃红移1929年起，科学家测得遥远恒星发出年起，科学家测得遥远恒星发出的光谱线普遍存在一种的光谱线普遍存在一种“红移红移”现象，称哈勃红移。现象，称哈勃红移。这是由于恒星以速度这是由于恒星以速度v远离地球所造成的。根据多普远离地球所造成的。根据多普勒效应，光源远离地球时，地球上的观察者测得的勒效应，光源远离地球时，地球上的观察者测得的表现频率将减小，即波长增大，成为红移。红移量表现频率将减小，即波长增大，成为红移。红移量定义为：定义为： e为地球上测得的同种物质的谱线波长。利用为地球上测得的同种物质的谱线波

11、长。利用(8-3-19)式式 ，可得相对论计算结果，可得相对论计算结果(读者自证读者自证)； ee-=()Z 1/21+=()11-v/cZv/c文科文科物理物理 目前测到最远的目前测到最远的Z=10，即，即v/c=0.9836。 哈勃红移给人哈勃红移给人们描绘了一幅宇宙膨胀的图像，是对宇宙大爆炸假设们描绘了一幅宇宙膨胀的图像，是对宇宙大爆炸假设的第一个支持论据，哈伯发现红移量的第一个支持论据，哈伯发现红移量Z与恒星离地球距与恒星离地球距离离R成比，有哈勃红移公式：成比，有哈勃红移公式： Z=HR=(H0/C)R 其中其中H0为哈勃常数。为哈勃常数。文科文科物理物理(2) 1965年年3K微波

12、背景辐射的发现，也是大爆炸理论的有微波背景辐射的发现，也是大爆炸理论的有力论据。两位发现者：美国贝尔实验室的工程师彭齐力论据。两位发现者：美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊也因此获得了亚斯和威尔逊也因此获得了1978年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 1989年利用年利用COBE卫星进一步测得了宇宙背景温度为：卫星进一步测得了宇宙背景温度为： T=2.725K文科文科物理物理 2001年美国航天中心发射宇宙飞船把年美国航天中心发射宇宙飞船把“微波各项异性微波各项异性探测器探测器”(MAP)带入太空，进一步测量了宇宙背景辐带入太空，进一步测量了宇宙背景辐射的各向异性和偏振性质。认为由射的各

13、向异性和偏振性质。认为由 测量结果证明了以测量结果证明了以下几个事实下几个事实(见页注见页注)： (1) 宇宙年龄约宇宙年龄约13.7109年年 (2) 宇宙的空间宇宙的空间时间性质是平坦的时间性质是平坦的 (3) 哈勃常数等于哈勃常数等于71kms-1Mpc-1 (4) 宇宙成分中，普通物质只占宇宙成分中，普通物质只占4%，另有，另有23%的的“暗暗 物质物质”，73%的的“暗能量暗能量”，后二者至今不明，后二者至今不明(见见9-7) (5)在大爆炸后约在大爆炸后约2亿年，就出现了最早的恒星。亿年，就出现了最早的恒星。文科文科物理物理(3) 第三个证明是宇宙的可见物质主要是氢和氦，约第三个证

14、明是宇宙的可见物质主要是氢和氦，约3/4是是氢，氢，1/4是氦，与理论估计相符。是氦，与理论估计相符。(4) 第四个论据是关于恒星和星系的演化，第四个论据是关于恒星和星系的演化，1990年升空至年升空至今的哈勃空间望远镜已能看到今的哈勃空间望远镜已能看到100亿光年外的天体，观亿光年外的天体，观测发现那些遥远的星很少有重元素，正符合大爆炸理测发现那些遥远的星很少有重元素，正符合大爆炸理论的预言。论的预言。(5) 在上节中哈里森在计算时已考虑了一个在时间上有限在上节中哈里森在计算时已考虑了一个在时间上有限膨胀的宇宙模型和恒星的演化，合理地解释了夜晚的膨胀的宇宙模型和恒星的演化，合理地解释了夜晚的

15、天空为什么是黑暗的，也可算是支持大爆炸理论的第天空为什么是黑暗的，也可算是支持大爆炸理论的第五个论据。五个论据。文科文科物理物理9.3 9.3 白矮星和中子星白矮星和中子星1. 恒星演化的三种归宿恒星演化的三种归宿 白矮星、中子星和黑洞白矮星、中子星和黑洞(9-7)是恒星演化的三种归宿。是恒星演化的三种归宿。 恒星在稳恒的核燃烧阶段时，氢不断地转变为氦及更恒星在稳恒的核燃烧阶段时，氢不断地转变为氦及更重的元素，灼热气体的向外压强与向内收缩的引力达重的元素，灼热气体的向外压强与向内收缩的引力达到平衡。稳恒阶段为恒星的到平衡。稳恒阶段为恒星的“壮年期壮年期”。迄今发现的。迄今发现的恒星有恒星有90

16、%处处“壮年期壮年期”。文科文科物理物理 一旦恒星内核燃料烧完，引力将引起形体进一步收缩，一旦恒星内核燃料烧完，引力将引起形体进一步收缩，便会在短时间内释放巨大能量，表现为一次超新星爆便会在短时间内释放巨大能量，表现为一次超新星爆发，程度可达发，程度可达108K。开始由三个氦聚变为碳，并继续。开始由三个氦聚变为碳，并继续合成较重元素。最后留下一个合成较重元素。最后留下一个“残骸残骸”，即一个核心。，即一个核心。这个核心就是恒星的归宿，有三种可能，这与恒星形这个核心就是恒星的归宿，有三种可能，这与恒星形成时的初始质量成时的初始质量M初初及核心的质量及核心的质量Mcore的大小的大小 有关，见下表

17、：有关，见下表： 质量比质量比核心的性质核心的性质 M初初/M Mcore/M 白矮星白矮星 18 0.41.4 中子星中子星 825 1.43 黑洞黑洞 25 3文科文科物理物理2. 具体说明具体说明(1) 当恒星开始时当恒星开始时M初初8M (太阳质量太阳质量)时，爆发后留下一时，爆发后留下一个个“白矮星白矮星”，其核心质量，其核心质量Mcore的上限为的上限为1.4M 。它。它的大小同地球差不多，半径仅太阳的的大小同地球差不多，半径仅太阳的1%(所以称所以称“矮矮”)。(2) 当当Mcore超过超过1.4M 而小于而小于3M 时，电子便顶不住引力时，电子便顶不住引力了，于是由过程了，于是

18、由过程e+pn+,形成中子和中微子，后者跑形成中子和中微子，后者跑掉，留下一个核心，它是一颗中子星。星的直径只有掉，留下一个核心，它是一颗中子星。星的直径只有1020km,密度高达密度高达31017kg/m2像一个巨大的原子核。像一个巨大的原子核。文科文科物理物理 1967年发现了第一颗中子星年发现了第一颗中子星脉冲星脉冲星PSR1919。脉。脉冲信号的周期冲信号的周期T=1.337s，即中子星的自转周期。，即中子星的自转周期。(见下见下图图)至今发现的至今发现的600多颗中子星都在银河系之内。多颗中子星都在银河系之内。文科文科物理物理(3) 当恒星开始形成时质量大于当恒星开始形成时质量大于2

19、5M ，且，且Mcore超过超过3M ，就没有一种已知的力可一定得住引力了，此核心将是就没有一种已知的力可一定得住引力了，此核心将是一个黑洞。一个黑洞。文科文科物理物理9.4 9.4 宇宙中的宇宙中的X X射线源射线源 在天体物理研究中，宇宙在天体物理研究中，宇宙X X射线的测量极其重要，射线的测量极其重要，X X射射线天文学得到了发展，下面做一些介绍线天文学得到了发展，下面做一些介绍文科文科物理物理1.X.X射线天文学的基本困难射线天文学的基本困难 (1) (1) 来自宇宙的来自宇宙的X X射线几乎都被地球的大气层吸收，必射线几乎都被地球的大气层吸收，必须在高空中才能探测到宇宙须在高空中才能

20、探测到宇宙X X射线。射线。 (2) (2) 很难从很难从X X射线探测器获得确定方向的信息，即难以射线探测器获得确定方向的信息，即难以将探测到将探测到X X射线与任何已知的星体对应。为此要求有相射线与任何已知的星体对应。为此要求有相当高的角分辨率。当高的角分辨率。文科文科物理物理2. X射线探测器的发展和一系列成果射线探测器的发展和一系列成果 1920年科学家发现了年科学家发现了X射线的折射确实存在，尽管它射线的折射确实存在，尽管它的折射率非常接近的折射率非常接近1，到，到20世纪中叶，世纪中叶，“X射线显微镜射线显微镜”制成了。制成了。1960年贾科尼年贾科尼(在一家美国科学和工程公司工在

21、一家美国科学和工程公司工作作)和著名宇宙线物理学家罗西合作，制成了和著名宇宙线物理学家罗西合作，制成了“成像成像X射线望远镜射线望远镜”，与，与1962年发现了太阳之外的年发现了太阳之外的X射线源。射线源。之后又不断发现新的之后又不断发现新的X射线源，包括在银河系之外的射线源，包括在银河系之外的X射线源。射线源。 1970年在贾科尼建议下制造的年在贾科尼建议下制造的X射线人造卫星上天，射线人造卫星上天，1977-78年又发射了两颗卫星，称高能天体物理实验室。年又发射了两颗卫星，称高能天体物理实验室。其中一个实验室又称爱因斯坦其中一个实验室又称爱因斯坦X射线实验室，由贾科射线实验室，由贾科尼领导

22、。此卫星上载有成像尼领导。此卫星上载有成像X射线望远镜，角分辨率射线望远镜，角分辨率达到达到2”，且灵敏度高视野广。，且灵敏度高视野广。文科文科物理物理 获得了一系列研究成果：如发现了星体大爆炸的残骸；获得了一系列研究成果：如发现了星体大爆炸的残骸；发现了从晚年星体发射出的发现了从晚年星体发射出的X射线与星体的转动及星射线与星体的转动及星体外层的对流有很强的关联性；发现了点状的体外层的对流有很强的关联性；发现了点状的X射线射线源源(类星体类星体)；找到了；找到了300多个星系团，从而提供了宇宙多个星系团，从而提供了宇宙中有发射中有发射X射线而不发射可见光的暗物质存在的新证射线而不发射可见光的暗

23、物质存在的新证据等等。据等等。2002年贾科尼一起开创性工作和杰出贡献获年贾科尼一起开创性工作和杰出贡献获诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。文科文科物理物理9.59.5 射线射线暴暴1. 什么是什么是暴暴 对突发性对突发性X射线源的观察导致发现来自非常遥远星系射线源的观察导致发现来自非常遥远星系的能量更高的的能量更高的射线暴。它是射线暴。它是射线突然增强的短时间射线突然增强的短时间爆发现象。爆发现象。2. 暴有如下一些特点：暴有如下一些特点： (1) 射线能量主要在几个射线能量主要在几个keV到几个到几个MeV范围，一直范围，一直衍射到高能衍射到高能(GeV以上以上)。 (2) 暴持续时间暴持续

24、时间T最典型的是最典型的是20s左右，也有短到几毫左右，也有短到几毫秒长到几十分的。其随时间呈复杂的多峰结构，有明秒长到几十分的。其随时间呈复杂的多峰结构，有明显变化的时间显变化的时间T在毫秒左右。在毫秒左右。文科文科物理物理 (3) 暴空间分布是各向同性的，但越远越少。这表明暴空间分布是各向同性的，但越远越少。这表明暴的源是远距离天体，不是银河系内天体。如暴的源是远距离天体，不是银河系内天体。如1997年年5月月8日测到一个日测到一个暴，红移量为暴，红移量为Z=0.835，用哈勃红移公，用哈勃红移公式可得离地球距离式可得离地球距离R100亿光年。亿光年。 (4) 暴是极强的源，例如暴是极强的

25、源，例如1999年发现的一个年发现的一个暴暴Z1.6，红移量更大，即更遥远。在辐射是各向同性假设下，红移量更大，即更遥远。在辐射是各向同性假设下，估计它在估计它在100秒内放出的总能量高达秒内放出的总能量高达3.41047J。这意。这意味着暴的源一定是与中子星类似的致密天体。味着暴的源一定是与中子星类似的致密天体。文科文科物理物理 暴的巨大能源集中在空间尺度不过暴的巨大能源集中在空间尺度不过100km的范围，它的范围，它被认为是一个被认为是一个“火球火球”。在火球模型研究方面中国科。在火球模型研究方面中国科学家陆土炎和戴子高等有重要贡献。学家陆土炎和戴子高等有重要贡献。 (5) 暴得能量辐射不

26、是各向同性的，而集中在张角不暴得能量辐射不是各向同性的，而集中在张角不超过超过4的锥形喷注之内。也就是我们看不到的的锥形喷注之内。也就是我们看不到的暴应暴应为看到的为看到的1000多倍。同时上面估计的多倍。同时上面估计的暴能量太高了，暴能量太高了，应降为应降为1044J。文科文科物理物理3. 还有不少有关还有不少有关暴的问题有待研究暴的问题有待研究 如喷注及如喷注及辐射形成的机制是什么？为什么喷注张角如辐射形成的机制是什么？为什么喷注张角如此之小？为什么此之小？为什么暴离我们如此之远，与暴离我们如此之远，与X射线源的分射线源的分布布(遍及宇宙各处遍及宇宙各处)和中子星分布和中子星分布(大量在银

27、河系内大量在银河系内)完全完全不同？等等。不同？等等。文科文科物理物理9.69.6 黑洞黑洞一、黑洞及其视界 1. 什么是黑洞什么是黑洞 1783年英国科学家米歇尔最早提出：最重的东西可年英国科学家米歇尔最早提出：最重的东西可能是看不到的，因为光波它吸进去而逃不出来了。这能是看不到的，因为光波它吸进去而逃不出来了。这个重的东西就是黑洞。在个重的东西就是黑洞。在9.39.3中已提到恒星的质量中已提到恒星的质量M M初初大于大于2525M M，“死亡死亡”时留下的核心质量超过时留下的核心质量超过3 3M M时，时，就是黑洞。就是黑洞。 文科文科物理物理2. 一个判别公式一个判别公式 在第二章中在第

28、二章中(2-4-4)给出了一个运动物体要脱离地球表给出了一个运动物体要脱离地球表面引力所需的最小速度面引力所需的最小速度(即第二宇宙速度即第二宇宙速度)为：为： 显然，当显然，当M很大，很大，R很小时，很小时，V2将超过光速将超过光速(这不可能这不可能)，这表明此物体就不可能脱离重物这表明此物体就不可能脱离重物M而逃出。也就是，而逃出。也就是，一个质量为一个质量为M的圆球，且半径的圆球，且半径R满足：满足： 时时,则以速度则以速度c运动的光也将被引力弯曲运动的光也将被引力弯曲,而吸回去。反而吸回去。反之任何射向此天体的物体或光子之任何射向此天体的物体或光子,都将被吸收都将被吸收,有进无出，有进

29、无出，这类天体成为黑洞。例太阳质量为这类天体成为黑洞。例太阳质量为M M,对应对应rG =3km，即太阳要被压缩到半径为即太阳要被压缩到半径为3km时才成为黑洞。时才成为黑洞。22GMV =RG22GMR r1)处的一颗恒星的运动，有处的一颗恒星的运动，有 假定在假定在r1与与r2之间空间基本上是没有物质，即之间空间基本上是没有物质，即M(r1) M(r2) ，则可得出，则可得出u2(r2)u1(r1)的结论。但实际上的结论。但实际上 u2(r2) 与与u1(r1)差不多，这表明差不多，这表明M(r2) M(r1) ，即在，即在r1 和和r2之间的空间中存在大量不发光的之间的空间中存在大量不发

30、光的“暗物质暗物质”。222222222m u (r )mM (r )= Grr文科文科物理物理(2) 第二个证据是第二个证据是“引力透镜效应引力透镜效应”：一个类星体发出的：一个类星体发出的光在到达地球的途中若遇到合适的星系光在到达地球的途中若遇到合适的星系(或星系团或星系团)作为作为“透镜透镜”，会被引力扭曲，而在观测中形成两个以上，会被引力扭曲，而在观测中形成两个以上的像。观测分析表明这些的像。观测分析表明这些“透镜透镜”中包含了比发光物中包含了比发光物质多许多倍的暗物质质多许多倍的暗物质(3) 第三个证据是，观测发现遥远的星系团第三个证据是，观测发现遥远的星系团(1.54109光光年年)中存在温度高达几百万度的灼热气体，这些灼热气中存在温度高达几百万度的灼热气体，这些灼热气体所以能被聚集在一起，要靠占质量高达体所以能被聚集在一起，要靠占质量高达87%的暗物的暗物质的巨大引力才行。质的巨大引力才行。文科文科物理物理(4) 观测发现宇宙从大尺度看存在许多不均匀的丝状和网观测发现宇宙从大尺度看存在许多不均匀的丝状和网状结构。理论上若假定空间有不