1、第五章特殊恒星、白矮星、中子星和黑洞與普通恒星有兩個最大的區(qū)別：1。核燃料已經(jīng)耗盡，不可能通過產(chǎn)生熱壓來抵抗重力坍塌。2.這個尺度很小，它的半徑比同等質(zhì)量的恒星要小得多，所以它的表面引力場很強(qiáng)，恒星的密度也很高。白矮星最初是通過天文觀測發(fā)現(xiàn)的，這是天文學(xué)家在一無所知的情況下發(fā)現(xiàn)的?？茖W(xué)家們直到很長一段時間后才完成對它的理論描述。中子星的發(fā)現(xiàn)與白矮星的發(fā)現(xiàn)完全不同?？茖W(xué)家對中子星的理論分析在被發(fā)現(xiàn)前30年基本完成。中子星發(fā)現(xiàn)得晚，因?yàn)樗×?。如果一個天體直徑只有10公里，即使它和最近的恒星一樣離我們很近，用最大的望遠(yuǎn)鏡也無法識別它。天文學(xué)家通過脈沖星發(fā)現(xiàn)了中子星。南天星云，5.1白矮星和黑矮星

2、，白矮星是20世紀(jì)20年代末發(fā)現(xiàn)的一種天體。它們有較高的表面溫度，較低的光度，并且低于赫羅圖。它的密度非常高，為105108克/立方厘米。質(zhì)量大約等于太陽的質(zhì)量，半徑大約等于地球的半徑。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了1000多顆白矮星，其中大多數(shù)在光譜上屬于A型。白矮星的表面溫度非常不同，密度也非常高。白矮星非常密集。根據(jù)量子理論，白矮星的物質(zhì)處于一種特殊的狀態(tài)，稱為簡并態(tài)。簡并態(tài)是指在高溫、高壓和高密度的條件下，原子的電子殼不再存在，電子變成自由電子，構(gòu)成電子氣體。因?yàn)闅怏w的壓力與其密度和溫度成正比，處于簡并態(tài)的電子氣體的壓力只與其密度有關(guān)，而與溫度無關(guān)。質(zhì)量越大，半徑越小。1931年，錢德拉塞卡發(fā)現(xiàn)白矮

3、星的質(zhì)量有一個上限，超過這個上限白矮星將不復(fù)存在。他指出這個極限是1.4M。確切的數(shù)值取決于物質(zhì)的組成。后人稱這一極限為錢德拉塞卡(質(zhì)量)極限，以紀(jì)念這一偉大發(fā)現(xiàn)。白矮星由質(zhì)量為34個太陽質(zhì)量的恒星演化而來。它從主序列星演化到紅巨星，在氫燃燒和氦燃燒熄滅后又到達(dá)紅巨星。在第二個紅巨星階段結(jié)束時，它變成了一個行星狀星云。最后，這顆恒星只剩下0.51個行星狀星云核心，并繼續(xù)冷卻成為白矮星。根據(jù)化學(xué)成分的不同，球狀星團(tuán)M4及其白矮星團(tuán)可分為五個亞型：DA、DB、DC、DF和DP: DA型：富氫DB型：富氦DC型：富碳DF型：富鈣DP型：磁場極強(qiáng)，白矮星也有一種奇怪的引力紅移現(xiàn)象：當(dāng)在遠(yuǎn)離引力場的引力

4、場中觀察輻射源發(fā)出的光時，光譜即， 強(qiáng)引力場中同一原子譜線的波長比無強(qiáng)引力場中的波長長，波長的紅移與輻射源和觀察者之間的引力勢差成正比。 電子的簡并壓力可以阻止白矮星的坍縮，讓它們一直冷卻下來。在這個過程中，白矮星的大小不會改變。當(dāng)它慢慢失去熱量時，它會變得越來越紅越來越暗。白矮星遲早會變成一堆灰燼，只發(fā)射微弱的紅外線。白矮星最終會變成黑矮星。黑矮星是冷的、無生命的、高密度的，是一團(tuán)退化的物質(zhì)，除了它的引力可能作用于它的鄰近伴星，在樹葉中找不到它的跡象。中子星和脈沖星是1932年在英國卡文迪什實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的。中子不帶電荷，質(zhì)量比質(zhì)子稍大。當(dāng)時，在哥本哈根玻爾周圍有一群年輕的科學(xué)家，他們?yōu)榱孔恿W(xué)

5、的建立和發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。這些科學(xué)家對中子的發(fā)現(xiàn)感到非常興奮。前蘇聯(lián)科學(xué)家蘭道預(yù)言，宇宙中應(yīng)該有以中子為主要成分的天體。拉脫維亞的貨幣單位1967年，劍橋大學(xué)的休伊什設(shè)計(jì)了一臺射電望遠(yuǎn)鏡，研究太陽風(fēng)對宇宙中其他天體無線電信號的影響，從而研究太陽風(fēng)的運(yùn)動和結(jié)構(gòu)。記錄保存是由他所在學(xué)校的研究生貝爾小姐完成的。她注意到無線電信號在半夜仍然閃爍，這是一個周期為1.337秒的脈沖。經(jīng)過反復(fù)觀察，他們確定這是來自某個天體的脈沖信號，并命名這個新的天體為脈沖星。超新星，基本特征：1。脈沖是一種無線電信號，在無線電波段接收；2.脈沖信號的時間間隔(即周期)非常短，并且非常穩(wěn)定。已知的脈沖星周期在0.03秒

6、到4秒之間，脈沖持續(xù)時間大多為0.0010.05秒。到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大約500顆脈沖星，根據(jù)它們的脈沖輻射形狀可以分為三種類型：S型、D型和C型。s型脈沖星有簡單的脈沖形狀，C型脈沖星有復(fù)雜的脈沖形狀，D型脈沖星有漂移子脈沖。脈沖星脈沖發(fā)出的能量比地球上最猛烈的火山爆發(fā)釋放的能量大幾億倍。2.中子星現(xiàn)在人們認(rèn)識到脈沖是由一種“燈塔”發(fā)出的，它是一種快速旋轉(zhuǎn)的中子星，大約只需要一秒鐘旋轉(zhuǎn)一次。只有中子星能夠承受這樣的高速旋轉(zhuǎn)，因?yàn)橹凶有堑拿芏冗_(dá)到1億噸/立方厘米。許多學(xué)者認(rèn)為中子星是超新星爆炸的產(chǎn)物。由于爆炸后核心急劇收縮，恒星內(nèi)部的巨大壓力推動電子進(jìn)入原子核與質(zhì)子結(jié)合，形成高密度的中子物

7、質(zhì)，成為中子星。中子星發(fā)出的射線，許多恒星附近都有伴星。當(dāng)這樣一對恒星中的一個變成超新星，爆炸后留下一顆中子星時，它的伴星的演化將大大加快。因?yàn)橹凶有菍Π樾怯泻軓?qiáng)的吸引力，所以伴星可能會從其大氣中傾瀉出相當(dāng)大的質(zhì)量，并以致密氣體云的形式包圍中子星。稠密的氣體會熄滅脈沖星的無線電輻射。然而，由于氣體在中子星周圍的強(qiáng)引力場中被增生和加熱，它將產(chǎn)生強(qiáng)烈的x光輻射。它也為科學(xué)家提供了一種觀察中子星存在的可靠方法。星團(tuán)和中子星依靠中子簡并壓力來防止由強(qiáng)重力引起的進(jìn)一步坍縮。像白矮星一樣，中子星也有質(zhì)量范圍。原子彈之父奧本海默(Oppenheimer)的研究表明，如果恒星爆發(fā)后剩余質(zhì)量大于3M，中子星簡并

8、壓力不能阻止進(jìn)一步的引力坍縮。為了紀(jì)念奧本海默的發(fā)現(xiàn)，后世稱M=3M為奧本海默極限。中子星的超高密度、超高溫、超高壓、超強(qiáng)磁場和超輻射等極端物理?xiàng)l件在地球上無法實(shí)現(xiàn)，因此中子星成為極端物理?xiàng)l件的實(shí)驗(yàn)室，幫助人們了解極端條件下物質(zhì)的運(yùn)動和變化規(guī)律。1974年，美國天文學(xué)家泰勒和他的研究生霍爾斯用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星PSR 1913-16。他們跟蹤PSR 1913-16多年，發(fā)現(xiàn)它的軌道周期每年減少76微秒。這一結(jié)果表明雙星系統(tǒng)的能量正在緩慢流失。理論研究表明，只有引力波(見6.6節(jié))輻射才能慢慢帶走系統(tǒng)的能量，這使得整個雙星系統(tǒng)的能量周期越來越短，兩個子星之間的距離越來越近。到2005年底，

9、已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大約100顆脈沖雙星，其中大部分是中子星和白矮星的組合，只有6對是中子星。獨(dú)特的脈沖雙星，5.3黑洞和白洞，最大和最古老的黑洞，1。引力坍縮和黑洞逃逸速度：在地球表面上的火箭必須以11.2千米/秒的速度飛離地球的引力控制。數(shù)學(xué)表達(dá)式是：v escape=2GM/R，黑洞撕裂恒星，假設(shè)由于某種原因地球的半徑減小到原來的1/4，質(zhì)量不變，地球表面的引力將增加到原來的16倍，此時所需的逃逸速度是22.4千米/秒為了理解引力坍縮，我們假設(shè)地球的周長將從40，000公里減少到10公里，這時火箭速度將達(dá)到708公里/秒以逃離地球。如果地球的周長進(jìn)一步減小到5.58厘米，逃逸速度將達(dá)到每秒30萬米

10、。此時，地球上的任何信息都無法傳送到外界，只留下一個周長為5.58厘米的“墳?zāi)埂?。最大也是最古老的黑洞，讓V以光速逃逸，那么我們可以得到引力半徑：Rg2GM/c，它與質(zhì)量成正比。引力半徑的物理意義是，如果一個天體的半徑r小于它相應(yīng)的Rg，這個天體發(fā)出的光就無法逃逸。黑洞的視界不是物質(zhì)表面，但是它的物理意義意味著外部觀察(RRg)不能知道它里面的任何信息(Rg)。仙女座星系中心有10個新的準(zhǔn)黑洞，不同質(zhì)量黑洞的半徑和密度，兩個黑洞的性質(zhì)，以及黑洞的無毛定理完全可以由質(zhì)量、電荷和角動量三個量決定。黑洞可以分為四類：最簡單的不帶電荷和沒有旋轉(zhuǎn)的球形黑洞只能用一個質(zhì)量參數(shù)來描述，也稱為史瓦西黑洞；一個

11、帶電荷且不旋轉(zhuǎn)的球?qū)ΨQ黑洞，也稱為雷斯勒-諾森黑洞；一個不帶電荷但旋轉(zhuǎn)的黑洞，也稱為克爾黑洞；帶電荷和旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)黑洞需要用三個參數(shù)來描述：質(zhì)量、電荷和角動量，也稱為克爾-紐曼黑洞。黑洞的無毛定理表明，引力坍縮前不同物體的細(xì)節(jié)在坍縮成黑洞后消失了。根據(jù)黑洞的現(xiàn)狀，我們無法在它坍塌之前推斷出它的具體特征。黑洞帶電荷的原因是作為黑洞前身的恒星有電磁場。黑洞形成后，帶電粒子可以從星際介質(zhì)中被吞噬，所以在黑洞的地平線周圍有一個帶電的外部時空。然而，黑洞的大部分電磁特性已經(jīng)被引力波帶走，只剩下總電荷，這是一個與電有關(guān)的參數(shù)。黑洞之所以有角動量，是因?yàn)樗械暮阈?，也就是黑洞的前身，都有自己的自轉(zhuǎn)。黑洞形成后

12、，根據(jù)角動量守恒定律，它們?nèi)匀槐仨毐３炙鼈兊男D(zhuǎn)特性。不帶電荷的黑洞很容易理解，正負(fù)電荷剛剛被中和。沒有旋轉(zhuǎn)黑洞的原因是，一些物質(zhì)通過Penrose過程從旋轉(zhuǎn)黑洞中提取出黑洞的所有角動量，然后黑洞停止旋轉(zhuǎn)，能量層消失，只留下質(zhì)量，旋轉(zhuǎn)的克爾黑洞變成靜態(tài)的史瓦西黑洞。黑洞撕裂恒星，黑洞有一個特殊的行為，即當(dāng)兩個黑洞碰撞并融合成一個時，合成黑洞的視界表面積不得小于原來兩個黑洞的視界表面積之和，而這兩個黑洞的結(jié)合也會釋放出巨大的能量。合成后，黑洞可以重組并釋放能量。著名的黑洞理論家霍金證明了把黑洞分成兩個是不可能的。他的“面積常數(shù)定理”規(guī)定黑洞的視界表面積只能增加，而不能減少。然而，黑洞的分裂會導(dǎo)致

13、表面積的減少，所以這是禁止發(fā)生的。圍繞一個中等大小的黑洞旋轉(zhuǎn)的一群恒星。如果兩個小球合并成一個大球，大球的表面積必須小于兩個小球表面積的總和。假設(shè)兩個大小相同的炫目球的半徑為R0，那么前兩個球的表面積將合并成一個半徑為r的大球，兩個球的質(zhì)量等于大球的質(zhì)量，所以假設(shè)它是真的，然后它成立，然后黑洞的面積定理將被證明。以球形史瓦西黑洞為例，黑洞的視界面積為R0作為視界半徑，為簡單起見，假設(shè)兩個小黑洞的M0質(zhì)量相同，大黑洞的質(zhì)量為2M0，視界表面積為S，那么當(dāng)兩個小黑洞的M1和M2的質(zhì)量相同，視界面積為S1和S2的質(zhì)量相同時，ab霍金從理論上證明，即使兩個黑洞相撞，引力波損失的質(zhì)量也高達(dá)總質(zhì)量的50%

14、，黑洞的面積仍然是真實(shí)的。當(dāng)霍金研究量子力學(xué)對黑洞附近物質(zhì)行為的影響時，他發(fā)現(xiàn)黑洞似乎總是以穩(wěn)定的速度發(fā)射粒子，并且發(fā)射的粒子具有熱輻射的特性。黑洞的輻射看起來像一個普通的熱物體在輻射，所以黑洞不是絕對黑色的，它有溫度。黑洞也受到量子力學(xué)的影響，但量子效應(yīng)只在微觀領(lǐng)域顯示出顯著的影響。對于普通黑洞來說，它們的輻射太小，不能完全忽略。例如，對于一個太陽質(zhì)量的黑洞，對應(yīng)于它的輻射的溫度只有610-8攝氏度。這個溫度下的熱輻射可以忽略不計(jì)。有人認(rèn)為，在黑洞中心的“奇點(diǎn)”，物質(zhì)不能被壓縮到無限密度，而在小于10-33厘米的空間尺度上，廣義相對論也將失敗，它應(yīng)該被量子化引力理論所取代。除了大的和小的新的

15、中型黑洞，第三，尋找黑洞，這是重力輻射源，x光源和射線源。沒有出現(xiàn)在單線雙星光譜中的子星可能是黑洞。引力透鏡法是一種用來確定黑洞的方法。S 1 S B E S 2引力透鏡示意圖，新型黑洞，根據(jù)量子力學(xué)理論，小黑洞會發(fā)射光和粒子并逐漸消亡，因此探測它們的存在和發(fā)射不僅可以確認(rèn)黑洞的存在，還可以驗(yàn)證新發(fā)展的黑洞量子力學(xué)的正確性。世界各地的天文學(xué)家在20世紀(jì)70年代末開始尋找小黑洞。根據(jù)理論預(yù)測，質(zhì)量小于1015克的小黑洞今天已經(jīng)消失，質(zhì)量為10151016克的小黑洞正在死亡。這種死亡過程非常迅速，而且會以劇烈的爆炸告終。爆炸釋放的能量非常大，并且是以高能射線的形式釋放的。一個高速運(yùn)行的黑洞，以及天

16、鵝座X-1的特征，天鵝座X-1已經(jīng)被大多數(shù)科學(xué)家公認(rèn)為黑洞。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，天鵝座X-1已經(jīng)成為最有希望的黑洞候選者，其質(zhì)量約為8個太陽質(zhì)量。一架光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在天鵝座的X-1方向觀察到一顆亮度為9的雙星，其軌道周期為5.6天。經(jīng)過精確的方位測定，發(fā)現(xiàn)它可能是天鵝座X-1中的可見恒星，并伴有X射線源，同時在這個方向還有一個無線電源。從光譜的對比分析可以看出，有跡象表明氣體正從可見恒星流向它的伴星。據(jù)估計(jì)，在過去的100億年里，銀河系中每100年就有一顆超新星爆炸，每100顆超新星中就有一顆會導(dǎo)致黑洞的形成。如果這個估計(jì)是正確的，銀河系中應(yīng)該有數(shù)百萬個由恒星坍縮形成的黑洞，但是根據(jù)x光雙星系統(tǒng)只能確定幾十個黑洞或黑洞候選物。有什么問題嗎？根據(jù)宇宙的對稱性，應(yīng)該有與黑洞相對應(yīng)的天體，即恒星坍縮的逆過程，即宇宙物質(zhì)的“火山口”，大量的物質(zhì)和能量從那里涌出。黑洞和白洞的通道是蟲洞。一旦這種物質(zhì)出現(xiàn)在蠕蟲眼睛的另一端，它會突然