1、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,What Are Compact Objects?,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 (white dwarfs),1. 发现 第一颗:波江座 (4
2、0 Eri B)!天狼星（Sirius）双星，Porb= 50 yr 天狼A：视星等 -1.45m 天狼B：视星等 8.68m ，光度相差1 万倍 M = 0.978 MR = 8.410-3 R 平均密度= 3.1109 kg m-3 相当于 表面重力加速度log g = 8.57 (cm/s2),Sirius in optical and X-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 0.2-1.1 M（平均 0.6 M） 半径R 5108-109 cm 密度108-1012 kg m-3 自转周期 P10 sec
3、,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5103 - 5104K 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
4、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 ：Penp25/3 相对论性情形 ：Pencp4/3,4. 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 gM/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，Mch1.44 M 对C/O白矮星，Mch1.
5、4 M,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 (Neutron Stars),1932年L. D. Landau预言简并中子流体的存在。1
6、934年W. Baade和F. Zwicky预言超新星爆发产生中子星 。,Walter Baade （1893-1960）,Fritz Zwicky （1898-1974）,Lev D. Landau （1908-1968）,“supernovae represent the transitions from ordinary stars into neutron stars, which in their final stages consist of extremely closely packed neutrons.” PHYSICAL REVIEW, VOL. 4, JANUARY 1
7、5, 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 PSR 1919+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Cen X3. 1974年R. Hulse和 J. Taylor发现双中子星射电脉冲星PSR 1913+16 1982年D. Backer等人首次发现毫秒射电脉冲星 。 1
8、993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。,Neutron Star in the SNR 3C 58,2. 中子星的形成,高质量(8-10 M )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 0.3 km, 固态金属（Fe, e） 内壳 0.6 km, 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 1.4 M, 半径R 10 km 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。
9、 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 (Radio Pulsars),(1) 发现 1967年剑桥大学穆拉德射电天文台研究生Jocelyn Bell 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PSR 1919+21. 脉冲周期P1.3373 sec.,1968年发现位于船帆座超新星遗迹（Vela Nebula）中的脉冲星PSR 0833-45和蟹状星云（Crab Nebula）中的脉冲星PSR 0531+21，脉冲周期分别为89 ms和33 ms.,C
10、rab pulsar off and on,Vela pulsar,(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 1 ms -10 s, 随时间缓慢增长（周期导数 dP/dt 10-21-10-12 ss-1）。,(3) 物理模型倾斜自转磁中子星,灯塔效应 (lighthouse effect),(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PSR 1913+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 PSR
11、 1937+214 周期1.558 ms，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？ Recycle Pulsars!,脉冲星和行星系统 1994年A. Wolszczan发现PSR 1257+12有行星系统: 3颗行星，2大1小。M = 3.9 M, Porb= 67 d; M =3.2 M, Porb= 98 d 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MagnetarsSGRs and AXPsUltra-magnetized neutron stars ?,中子星和奇异星(strange stars
12、),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 (Black Holes),黑洞模型,1915年，Einstein发表广义相对论 (general relativity)质量时空弯曲 物质 引力源 时空弯曲 (curved space)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,Too Close to a Black Hole,Normal star field containing the cons
13、tellation Orion.,The same star field but with a black hole superposed in the center of the frame.,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） = 3 km (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3 km。,在越致密的天体附近，光线弯曲的程度越大。,3 黑洞的一些
14、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-hair theorem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=1 M, t1067 yr； 当M=1015 g, t1010 (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（2-3
15、 M）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1 ms 辐射天体尺度 108 cm 中子星或黑洞,星系级黑洞,M106- 109 M 通常位于星系核心,中等质量黑洞?,Chandra X-ray Observatory has found new populations of suspected mid-mass black holes in several starburst galaxies, where stars form and explode at an unusually high rate.,英仙座A星系中的黑洞,Supermassive Black Hole in NGC 1277! (2012/11/29),17 billion solar masses,
