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1、第五章特殊恒星、白矮星、中子星和黑洞与普通恒星有两个最大的区别：1。核燃料已经耗尽，不可能通过产生热压来抵抗重力坍塌。2.这个尺度很小，它的半径比同等质量的恒星要小得多，所以它的表面引力场很强，恒星的密度也很高。白矮星最初是通过天文观测发现的，这是天文学家在一无所知的情况下发现的。科学家们直到很长一段时间后才完成对它的理论描述。中子星的发现与白矮星的发现完全不同。科学家对中子星的理论分析在被发现前30年基本完成。中子星发现得晚，因为它太小了。如果一个天体直径只有10公里，即使它和最近的恒星一样离我们很近，用最大的望远镜也无法识别它。天文学家通过脉冲星发现了中子星。南天星云，5.1白矮星和黑矮星

2、，白矮星是20世纪20年代末发现的一种天体。它们有较高的表面温度，较低的光度，并且低于赫罗图。它的密度非常高，为105108克/立方厘米。质量大约等于太阳的质量，半径大约等于地球的半径。目前，已经发现了1000多颗白矮星，其中大多数在光谱上属于A型。白矮星的表面温度非常不同，密度也非常高。白矮星非常密集。根据量子理论，白矮星的物质处于一种特殊的状态，称为简并态。简并态是指在高温、高压和高密度的条件下，原子的电子壳不再存在，电子变成自由电子，构成电子气体。因为气体的压力与其密度和温度成正比，处于简并态的电子气体的压力只与其密度有关，而与温度无关。质量越大，半径越小。1931年，钱德拉塞卡发现白矮

3、星的质量有一个上限，超过这个上限白矮星将不复存在。他指出这个极限是1.4M。确切的数值取决于物质的组成。后人称这一极限为钱德拉塞卡(质量)极限，以纪念这一伟大发现。白矮星由质量为34个太阳质量的恒星演化而来。它从主序列星演化到红巨星，在氢燃烧和氦燃烧熄灭后又到达红巨星。在第二个红巨星阶段结束时，它变成了一个行星状星云。最后，这颗恒星只剩下0.51个行星状星云核心，并继续冷却成为白矮星。根据化学成分的不同，球状星团M4及其白矮星团可分为五个亚型：DA、DB、DC、DF和DP: DA型：富氢DB型：富氦DC型：富碳DF型：富钙DP型：磁场极强，白矮星也有一种奇怪的引力红移现象：当在远离引力场的引力

4、场中观察辐射源发出的光时，光谱即， 强引力场中同一原子谱线的波长比无强引力场中的波长长，波长的红移与辐射源和观察者之间的引力势差成正比。 电子的简并压力可以阻止白矮星的坍缩，让它们一直冷却下来。在这个过程中，白矮星的大小不会改变。当它慢慢失去热量时，它会变得越来越红越来越暗。白矮星迟早会变成一堆灰烬，只发射微弱的红外线。白矮星最终会变成黑矮星。黑矮星是冷的、无生命的、高密度的，是一团退化的物质，除了它的引力可能作用于它的邻近伴星，在树叶中找不到它的迹象。中子星和脉冲星是1932年在英国卡文迪什实验室发现的。中子不带电荷，质量比质子稍大。当时，在哥本哈根玻尔周围有一群年轻的科学家，他们为量子力学

5、的建立和发展做出了巨大的贡献。这些科学家对中子的发现感到非常兴奋。前苏联科学家兰道预言，宇宙中应该有以中子为主要成分的天体。拉脱维亚的货币单位1967年，剑桥大学的休伊什设计了一台射电望远镜，研究太阳风对宇宙中其他天体无线电信号的影响，从而研究太阳风的运动和结构。记录保存是由他所在学校的研究生贝尔小姐完成的。她注意到无线电信号在半夜仍然闪烁，这是一个周期为1.337秒的脉冲。经过反复观察，他们确定这是来自某个天体的脉冲信号，并命名这个新的天体为脉冲星。超新星，基本特征：1。脉冲是一种无线电信号，在无线电波段接收；2.脉冲信号的时间间隔(即周期)非常短，并且非常稳定。已知的脉冲星周期在0.03秒

6、到4秒之间，脉冲持续时间大多为0.0010.05秒。到目前为止，已经发现了大约500颗脉冲星，根据它们的脉冲辐射形状可以分为三种类型：S型、D型和C型。s型脉冲星有简单的脉冲形状，C型脉冲星有复杂的脉冲形状，D型脉冲星有漂移子脉冲。脉冲星脉冲发出的能量比地球上最猛烈的火山爆发释放的能量大几亿倍。2.中子星现在人们认识到脉冲是由一种“灯塔”发出的，它是一种快速旋转的中子星，大约只需要一秒钟旋转一次。只有中子星能够承受这样的高速旋转，因为中子星的密度达到1亿吨/立方厘米。许多学者认为中子星是超新星爆炸的产物。由于爆炸后核心急剧收缩，恒星内部的巨大压力推动电子进入原子核与质子结合，形成高密度的中子物

7、质，成为中子星。中子星发出的射线，许多恒星附近都有伴星。当这样一对恒星中的一个变成超新星，爆炸后留下一颗中子星时，它的伴星的演化将大大加快。因为中子星对伴星有很强的吸引力，所以伴星可能会从其大气中倾泻出相当大的质量，并以致密气体云的形式包围中子星。稠密的气体会熄灭脉冲星的无线电辐射。然而，由于气体在中子星周围的强引力场中被增生和加热，它将产生强烈的x光辐射。它也为科学家提供了一种观察中子星存在的可靠方法。星团和中子星依靠中子简并压力来防止由强重力引起的进一步坍缩。像白矮星一样，中子星也有质量范围。原子弹之父奥本海默(Oppenheimer)的研究表明，如果恒星爆发后剩余质量大于3M，中子星简并

8、压力不能阻止进一步的引力坍缩。为了纪念奥本海默的发现，后世称M=3M为奥本海默极限。中子星的超高密度、超高温、超高压、超强磁场和超辐射等极端物理条件在地球上无法实现，因此中子星成为极端物理条件的实验室，帮助人们了解极端条件下物质的运动和变化规律。1974年，美国天文学家泰勒和他的研究生霍尔斯用射电望远镜发现了脉冲双星PSR 1913-16。他们跟踪PSR 1913-16多年，发现它的轨道周期每年减少76微秒。这一结果表明双星系统的能量正在缓慢流失。理论研究表明，只有引力波(见6.6节)辐射才能慢慢带走系统的能量，这使得整个双星系统的能量周期越来越短，两个子星之间的距离越来越近。到2005年底，

9、已经发现了大约100颗脉冲双星，其中大部分是中子星和白矮星的组合，只有6对是中子星。独特的脉冲双星，5.3黑洞和白洞，最大和最古老的黑洞，1。引力坍缩和黑洞逃逸速度：在地球表面上的火箭必须以11.2千米/秒的速度飞离地球的引力控制。数学表达式是：v escape=2GM/R，黑洞撕裂恒星，假设由于某种原因地球的半径减小到原来的1/4，质量不变，地球表面的引力将增加到原来的16倍，此时所需的逃逸速度是22.4千米/秒为了理解引力坍缩，我们假设地球的周长将从40，000公里减少到10公里，这时火箭速度将达到708公里/秒以逃离地球。如果地球的周长进一步减小到5.58厘米，逃逸速度将达到每秒30万米

10、。此时，地球上的任何信息都无法传送到外界，只留下一个周长为5.58厘米的“坟墓”。最大也是最古老的黑洞，让V以光速逃逸，那么我们可以得到引力半径：Rg2GM/c，它与质量成正比。引力半径的物理意义是，如果一个天体的半径r小于它相应的Rg，这个天体发出的光就无法逃逸。黑洞的视界不是物质表面，但是它的物理意义意味着外部观察(RRg)不能知道它里面的任何信息(Rg)。仙女座星系中心有10个新的准黑洞，不同质量黑洞的半径和密度，两个黑洞的性质，以及黑洞的无毛定理完全可以由质量、电荷和角动量三个量决定。黑洞可以分为四类：最简单的不带电荷和没有旋转的球形黑洞只能用一个质量参数来描述，也称为史瓦西黑洞；一个

11、带电荷且不旋转的球对称黑洞，也称为雷斯勒-诺森黑洞；一个不带电荷但旋转的黑洞，也称为克尔黑洞；带电荷和旋转的旋转黑洞需要用三个参数来描述：质量、电荷和角动量，也称为克尔-纽曼黑洞。黑洞的无毛定理表明，引力坍缩前不同物体的细节在坍缩成黑洞后消失了。根据黑洞的现状，我们无法在它坍塌之前推断出它的具体特征。黑洞带电荷的原因是作为黑洞前身的恒星有电磁场。黑洞形成后，带电粒子可以从星际介质中被吞噬，所以在黑洞的地平线周围有一个带电的外部时空。然而，黑洞的大部分电磁特性已经被引力波带走，只剩下总电荷，这是一个与电有关的参数。黑洞之所以有角动量，是因为所有的恒星，也就是黑洞的前身，都有自己的自转。黑洞形成后

12、，根据角动量守恒定律，它们仍然必须保持它们的旋转特性。不带电荷的黑洞很容易理解，正负电荷刚刚被中和。没有旋转黑洞的原因是，一些物质通过Penrose过程从旋转黑洞中提取出黑洞的所有角动量，然后黑洞停止旋转，能量层消失，只留下质量，旋转的克尔黑洞变成静态的史瓦西黑洞。黑洞撕裂恒星，黑洞有一个特殊的行为，即当两个黑洞碰撞并融合成一个时，合成黑洞的视界表面积不得小于原来两个黑洞的视界表面积之和，而这两个黑洞的结合也会释放出巨大的能量。合成后，黑洞可以重组并释放能量。著名的黑洞理论家霍金证明了把黑洞分成两个是不可能的。他的“面积常数定理”规定黑洞的视界表面积只能增加，而不能减少。然而，黑洞的分裂会导致

13、表面积的减少，所以这是禁止发生的。围绕一个中等大小的黑洞旋转的一群恒星。如果两个小球合并成一个大球，大球的表面积必须小于两个小球表面积的总和。假设两个大小相同的炫目球的半径为R0，那么前两个球的表面积将合并成一个半径为r的大球，两个球的质量等于大球的质量，所以假设它是真的，然后它成立，然后黑洞的面积定理将被证明。以球形史瓦西黑洞为例，黑洞的视界面积为R0作为视界半径，为简单起见，假设两个小黑洞的M0质量相同，大黑洞的质量为2M0，视界表面积为S，那么当两个小黑洞的M1和M2的质量相同，视界面积为S1和S2的质量相同时，ab霍金从理论上证明，即使两个黑洞相撞，引力波损失的质量也高达总质量的50%

14、，黑洞的面积仍然是真实的。当霍金研究量子力学对黑洞附近物质行为的影响时，他发现黑洞似乎总是以稳定的速度发射粒子，并且发射的粒子具有热辐射的特性。黑洞的辐射看起来像一个普通的热物体在辐射，所以黑洞不是绝对黑色的，它有温度。黑洞也受到量子力学的影响，但量子效应只在微观领域显示出显著的影响。对于普通黑洞来说，它们的辐射太小，不能完全忽略。例如，对于一个太阳质量的黑洞，对应于它的辐射的温度只有610-8摄氏度。这个温度下的热辐射可以忽略不计。有人认为，在黑洞中心的“奇点”，物质不能被压缩到无限密度，而在小于10-33厘米的空间尺度上，广义相对论也将失败，它应该被量子化引力理论所取代。除了大的和小的新的

15、中型黑洞，第三，寻找黑洞，这是重力辐射源，x光源和射线源。没有出现在单线双星光谱中的子星可能是黑洞。引力透镜法是一种用来确定黑洞的方法。S 1 S B E S 2引力透镜示意图，新型黑洞，根据量子力学理论，小黑洞会发射光和粒子并逐渐消亡，因此探测它们的存在和发射不仅可以确认黑洞的存在，还可以验证新发展的黑洞量子力学的正确性。世界各地的天文学家在20世纪70年代末开始寻找小黑洞。根据理论预测，质量小于1015克的小黑洞今天已经消失，质量为10151016克的小黑洞正在死亡。这种死亡过程非常迅速，而且会以剧烈的爆炸告终。爆炸释放的能量非常大，并且是以高能射线的形式释放的。一个高速运行的黑洞，以及天

16、鹅座X-1的特征，天鹅座X-1已经被大多数科学家公认为黑洞。根据观测数据，天鹅座X-1已经成为最有希望的黑洞候选者，其质量约为8个太阳质量。一架光学望远镜在天鹅座的X-1方向观察到一颗亮度为9的双星，其轨道周期为5.6天。经过精确的方位测定，发现它可能是天鹅座X-1中的可见恒星，并伴有X射线源，同时在这个方向还有一个无线电源。从光谱的对比分析可以看出，有迹象表明气体正从可见恒星流向它的伴星。据估计，在过去的100亿年里，银河系中每100年就有一颗超新星爆炸，每100颗超新星中就有一颗会导致黑洞的形成。如果这个估计是正确的，银河系中应该有数百万个由恒星坍缩形成的黑洞，但是根据x光双星系统只能确定几十个黑洞或黑洞候选物。有什么问题吗？根据宇宙的对称性，应该有与黑洞相对应的天体，即恒星坍缩的逆过程，即宇宙物质的“火山口”，大量的物质和能量从那里涌出。黑洞和白洞的通道是虫洞。一旦这种物质出现在蠕虫眼睛的另一端，它会突然