1、2018/6/18,,1,第四章 致密天体,白矮星中子星脉冲星黑 洞,孔 旭,http:/ this chapter will enable you to:,Describe the properties of neutron stars and explain how these strange objects are formed. Explain the nature and origin of pulsars and account for their characteristic radiation. Describe how black holes are formed and d
2、iscuss their effects on matter and radiation in their vicinity. Relate the phenomena that occur near black holes due to the warping of space around them. Discuss the difficulties in observing black holes and explain some of the ways in which the presence of a black hole might be detect,2018/6/18,,3,
3、2018/6/18,,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,2018/6/18,,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,2018/6/18,,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
4、动量值,费米动量,2018/6/18,,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,2018/6/18,,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,2018/6/18,,9,白矮星,发现 形成 质量 特征 分类,2018/6/18,,10,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 白矮星是一种很特殊的天体，它的体积小、亮度低，但质
5、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,2018/6/18,,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一,2018/6/18,,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
6、.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,2018/6/18,,13,Sirius B A Nearby White Dwarf,2018/6/18,,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,2018/6/18,,15,White dwarfs cool off and gro
7、w dimmer with time,2018/6/18,,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,2018/6/18,,17,钱德拉塞卡极限：白矮星质
8、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：,2018/6/18,,18,Subrahmanyan Chandrasekhar,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19521971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。,2018/6/18,,
9、19,Subrahmanyan Chandrasekhar,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,2018/6/18,,20,Arthur Stanley Eddington1882/12/28-1944/11/22,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
10、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？”,2018/6/18,,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 5103- 4104 K结构质量M 0.2-1.1 M半径R 5108-109 cm密度105-107 gcm-3自转周期 P10 secRM1/3 质量越大，半径越小,2018/6/1
11、8,,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,2018/6/18,,23,Size of a White Dwarf,WD with same mass as Sun are about same size as EarthHigher mass white dwarfs are smaller,2018/6/18,,24,Thought Question,What happens to a white dwarf when it accretes enough matter to reach the 1.4 MSun limit?A
12、. It explodesB. It collapses into a neutron starC. It gradually begins fusing carbon in its core,2018/6/18,,25,What can happen to a white dwarf in a close binary system?,Star that started with less mass gains mass from its companionEventually the mass-losing star will become a white dwarfWhat happen
13、s next?,2018/6/18,,26,Accretion Disks,Mass 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 d
14、isk to heat up and glow,2018/6/18,,27,Nova,The temperature of accreted matter eventually becomes hot enough for hydrogen fusionFusion begins suddenly and explosively, causing a nova,2018/6/18,,28,Nova,The nova star system temporarily appears much brighterThe explosion drives accreted matter out into
15、 space,2018/6/18,,29,Nova or Supernova?,Supernovae are MUCH MUCH more luminous! (about 10 million times)Nova: H to He fusion of a layer of accreted matter, white dwarf left intactSupernova: complete explosion of white dwarf, nothing left behindCarbon fusion suddenly begins as white dwarf in close bi
16、nary system reaches white dwarf limit, causing total explosion,2018/6/18,,30,第四章 致密天体,白矮星中子星脉冲星黑 洞,http:/ Baade（1893-1960）,Lev D. 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。,2018/6
17、/18,,33,Fritz Zwicky（1898-1974）,1967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1968年：Gold提出旋转中子星的脉冲星模型,Jocelyn Bell1943,Thomas Gold,2018/6/18,,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,2018/6/18,,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
18、低当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 最终形成主要由中子组成的稳定星体中子星,2018/6/18,,36,A neutron star is the ball of neutrons left behind by a massive-star supernovaDegeneracy pressure of neutrons supports a neutron star against gravity,2018/6/18,,37,Electron degeneracy pressure goes away because
19、 electrons combine with protons, making neutrons and neutrinosNeutrons collapse to the center, forming a neutron star,2018/6/18,,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：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； 0.3 km内壳：重核晶格，超流自由中子和自由电子 0.6 km内部：超流中子
20、流体，并杂有少量超流质子、电子、子核心：超子/奇异物质？,2018/6/18,,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。,2018/6/18,,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 BR2const. B=1G; B=1010G,2018/6/18,,41,2018/6/18,,42,Neutron stars are not much larger than many of Ear
21、ths major cities. In this fanciful comparison, a typical neutron star sits alongside Manhattan Island.,2018/6/18,,43,2018/6/18,,44,The density of a neutron star is comparable to the density of an atomic nucleus. As a result of their high masses and small sizes, neutron stars have only weak gravitati
22、onal pulls at their surfaces. Newly formed neutron stars have extremely strong magnetic,SELF-TEST: TRUE OR FALSE?,2018/6/18,,45,第四章 致密天体,白矮星中子星脉冲星黑 洞,http:/ 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。,2018/6/18,,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
23、不被人们认识的天体脉冲星PSR 1919+21.1974年，脉冲星发现获得了诺贝尔物理奖赖尔 + 休伊什Nobel Prize =No Bell Prize 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,2018/6/18,,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.,2018/6/18,,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,
24、观测特征,2018/6/18,,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,2018/6/18,,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,All pulsars are neutron stars, but not all neutron stars are pulsars, 1)the two ingredients that make the neutron star pulserapid rotation and stro
25、ng magnetic fieldboth diminish with time2) even a young, bright pulsar is not necessarily visible from Earth.,2018/6/18,,53,Pulsars,A pulsar is a neutron star that beams radiation along a magnetic axis that is not aligned with the rotation axisThe radiation beams sweep through space like lighthouse
26、beams as the neutron star rotates,2018/6/18,,54,2018/6/18,,55,磁偶极辐射模型脉冲星：很强磁场的快速自转的中子星脉冲周期对应于中子星的自转周期辐射能量是靠消耗它自身的自转能:磁偶极辐射随着脉冲星不断地辐射能量，自转逐渐变慢电磁辐射具有高度的方向性，灯塔效应,2018/6/18,,56,快速自转 + 强磁场 强电场 加速带电粒子 沿磁力线向外运动 曲率辐射 高能光子e的产生和湮灭 次级光子次级e的产生和湮灭射电辐射,磁偶极辐射 磁场强度 108-1013 G,2018/6/18,,57,1974年，赫尔斯利用放在波多黎各的阿雷西博的305射电望远镜观测脉冲星 PSR B 1913+16,发现其周期发生变化双星轨道周期以dPorb/dt = -7.6 10-5 syr-1 的速率减小，每天轨道减小1cmHulse不能确信,把这个消息电告泰勒，泰勒立刻赶往阿雷西博，他们进一步研究后认为这是一个双脉冲星双脉冲星发现获得1993年的诺贝尔物理学奖, 轨道周期变化与广义相对论的预言一致,证明了引力波效应的存在双星中子星绕转 引力波 能量和角动量损失双星轨道收缩,双脉冲星,2018/6/18,,58,2018/6/18,,59,脉冲轮廓和波长关系,
