天文学新概论5（1）

nullnull 蟹状星云能源之谜 蟹状星云：把蟹状星云所有频率上的辐射（射电、光学、X和γ射线辐射）加起来，相当于十万个太阳的辐射能量！一团稀薄的气体，其能量来自何方？ 光学观测发现蟹状星云在膨 胀，每年大约0.2角秒左 右，而且膨胀速度在加快。 星云膨胀加速度的能量由 谁来提供？同步辐射：高 能带电粒子＋磁场，高能 电子来自何方？磁场是怎 样形成的？nullnull脉冲星（Pulsar）是20世纪60年代天文学的四大发现之一 脉冲星的发现证实了中子星的存在。 英国天文学家休伊什和他的研究生乔丝琳·贝尔一起发现了脉冲星。休伊什因发现脉冲星并证认为中子星而荣获1974年的诺贝尔物理学奖。 美国天文学家泰勒和赫尔斯因发现射电脉冲双星及间接验证引力波的存在而荣获1993年的诺贝尔物理学奖。 null脉冲星的周期是怎么来的？nullnull ~ 10亿吨/厘米3 ！脉冲星(中子星)众多的桂冠头衔：脉冲星(中子星)众多的桂冠头衔：null 简并中子气压也无法抗衡引力！塌缩黑洞！nullnullnull黑洞造成的时空弯曲最大!!黑洞null史瓦西(Schwarzschild)半径史瓦西(Schwarzschild)半径 1915. 12. 卡尔·史瓦西（对于不转黑洞）： 引力半径 Rg＝Rs=2GM/C2＝2.95M［公里］ M以太阳质量为单位，在其内的光子无法逃逸！太阳的Rg=2.95km; 地球的Rg=8.9mm视界不是黑洞物质的实体边界；视界是为物质和辐射构筑的囚笼。任何物质、能量和信息都休想逃脱出去。 所有黑洞物质都被“囚禁”在中央奇点上。视界不是黑洞物质的实体边界；视界是为物质和辐射构筑的囚笼。任何物质、能量和信息都休想逃脱出去。 所有黑洞物质都被“囚禁”在中央奇点上。视界以内，所有物质只能向中心集聚 ，任何两点之间或它们同视界以外都不可能有任何信号联系。 中心奇点处体积为0，密度为∞。 黑 —— 光子不能逃脱，它是黑的； 洞 —— 外界物质落入黑洞视界，将永无逃脱之日，它是无底深洞。黑洞的奇妙性质 一、视界二、引潮力二、引潮力10M⊙的黑洞，在400万公里范围内，一般结构的物体会被解体。 视界上人体受到的引潮力为100万吨。奇点处，一个方向被无限拉长；另一个方向则被无限挤压。头和脚都被拉近奇点但却分离无限远，而又不能钻出视界之外。三、时空特性在正常宇宙里，时间是一维的而空间有三维。而在黑洞视界内，空间是一维的；时间出现了尽头。对于任何进入视界的物质，到达中心奇点意味着时间已经终结，一切物理定律会变得毫无意义。四、时间冻结四、时间冻结狭义相对论有尺缩、钟慢效应。 双生子佯谬：99%光速飞行到20 Ly处再返回，需时6年，地球上已过去40年。 广义相对论的钟慢效应：楼下的钟比楼上的走得慢，因为引力更强。 飞往黑洞的飞船，钟越来越慢，宇航员依然年轻，而地球上的人旷日持久的等待，已经几代人变老。到达视界时，钟慢程度∞，时间冻结，永远停留在视界上。 同时，因为引力红移，波长∞，画面完全消失。五、黑洞无毛和黑洞蒸发 五、黑洞无毛和黑洞蒸发 黑洞 一旦形成，就失去了其前身物质的一切性状和身份，不保存对任何信息的记忆，保留下来的只有质量、角动量和电荷。  黑洞“无毛”或只有“三根毛” 黑洞周围的虚粒子对，负粒子落入黑洞而正粒子逃脱；减少了黑洞内部的能量，增加了黑洞外部的能量。等效于从黑洞内部向外界发射出能量，这就是黑洞的蒸发。 据霍金计算，一个太阳质量的黑洞，一年的蒸发量仅10-20焦耳，可维持寿命1O67年；质量为1015克的小黑洞，每秒“蒸发”掉6×109焦耳的能量，其寿命为100亿年，与恒星的寿命相当。六、旋转黑洞造成的时空旋涡六、旋转黑洞造成的时空旋涡恒星塌缩成的黑洞，体积比中子星更小，转速＞5000转／秒。引力拖拽效应使时空扭曲，造成巨大的时空旋涡。 明显受拖拽效应影响的时空区域，在视界与静止界面之间，称为能层。 能层中被撕碎的物质形成吸积盘。 进入能层又逃脱出去的物质，带出旋转角动量，使黑洞的旋转能量传递到外界。七、黑洞与黑洞间的碰撞 黑洞只能合并不允许分裂。所以，宇宙演化的总趋势是所有黑洞的视界面积之和只会增加，不会减少。 null黑洞的观测证据： 恒星级黑洞 -- 途径：搜寻质量超过中子星质量上限（～2-3 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 黑洞候选天体天鹅座(Cygnus)X-1：强X射线源 X射线辐射光变时标～1 ms  辐射天体尺度 < 108cm  中子星或黑洞null 上世纪70年代发现的黑洞“四人帮” 星等 光谱型 距离 周期 伴星质量 （万Ly) (天) (M⊙ ) 天鹅X -1 9 O 0 .8 5.6 10-15 LMCX-1 14 O 17.5 1.7 4-11 LMCX-3 17 B 17.5 4. 2 4-10 麒麟V616 18 K 0 .3 0.32 3.3-4.2 至90年代又发现6个, 共10个黑洞候选者 上世纪70年代发现的黑洞“四人帮” 星等 光谱型 距离 周期 伴星质量 （万Ly) (天) (M⊙ ) 天鹅X -1 9 O 0 .8 5.6 10-15 LMCX-1 14 O 17.5 1.7 4-11 LMCX-3 17 B 17.5 4. 2 4-10 麒麟V616 18 K 0 .3 0.32 3.3-4.2 至90年代又发现6个, 共10个黑洞候选者 据估计，银河系里应该有100万个恒星级黑洞。可是迄今找到的只有十几个，反映了黑洞探测的困难程度。null（详见第六章）宇宙中最剧烈的爆发 — 射线暴宇宙中最剧烈的爆发 — 射线暴Vela 卫星FIRST GAMMA-RAY BURST 极高能量集中于很小体积，在短时间极高效率的释放能量，而且分布如此广泛。 中子星与中子星火拼？中子星被黑洞吞食？超级超新星爆发？微型黑洞爆炸？正反物质湮灭？暴的爆发机制暴的爆发机制Ic 型超新星null大质量恒星爆发模型null双致密星并合模型 银河系内的GRB给地球带来灾难(?!) 银河系内的GRB给地球带来灾难(?!) 概率 1亿年/次 (?)黑洞、白洞和虫洞 黑洞、白洞和虫洞“时间机器”与超空间“时间机器”与超空间黑洞白洞null黑洞是恒星的一种残骸，它是引力收缩的极点，极端到近乎荒唐。但在我看来，它又是最精美的。了解黑洞并深感困惑之后，会看到一个更加深邃的天空，进入展示时间、空间、光和物质的深刻本质的新视野。 —— J. P. Luminet作者:[法]约翰－皮尔·卢米涅著 卢炬甫译 出版社:湖南科学技术出版社null§5.5 恒星系统与集团(一) 双星和聚星双星： 包含两颗恒星的系统，在相互引力作用下，两颗子星绕着它们共同的引力中心描绘出闭合的轨道。 • 组成双星的两颗恒星均称为双星的子星（主星、伴星），以椭圆轨道相互绕转； 较亮的子星—主星 ；较暗的子星—伴星 聚星： 三合星，四合星，等等。 • 在银河系中，估计双星和聚星的数目不少于单星。 大部分的恒星位于双星和聚星系统中！(二) 双星的分类 (依观测方法)(二) 双星的分类 (依观测方法)(1) 目视双星 (visual binaries) • 用望远镜能够分辨出两颗子星的双星系统: 周期:1月~几百年，常见几年； 已发现目视双星将近8万对。目视双星克鲁格60 nullnull(2) 分光双星 (spectroscopic binaries) 通过子星轨道运动引起的谱线的Doppler位移确定其双星性质。 双线（双谱）、单线（单谱）分光双星 光谱双星：观测不到谱线位移（由于两子星间距远，速度小，或双星轨道面法线与视线的交角很小），但可观测到的光谱明显地由两个光谱组成。null 大陵五，英仙座β星，西名Algol，意思是“妖魔”（美杜莎之眼）。 主星是B8V型主序星，绝对星等-0.4，质量为太阳的3.7倍；伴星为G5型星，绝对星等3.1，质量为太阳的0.8倍。1906年发现其第三颗星，实际上大陵五是个三合星。(3) 食双星 (eclipsing binaries) 两子星相互交食造成亮度变化的双星 可分为三类： 1. 大陵五食变星 - EA (Eclipsing binary of Algol type) 其光变曲线的特征是有明显的主极小和次极小，而食外光变曲线较为平滑。光变周期范围在0.2天至几年。这类型的典型星是大陵五食双星。null3. 大熊座W - EW(Eclipsing binary of W UMa type) 它是颗密近食双星，两个子星的亮度分别是8.m5与9.m2，光谱型都是F8主序星，轨道周期较短，仅有0.3336天，即8个多小时就转一周。现代观测表明，这个双星系统内两个子星之间有频繁的物质交流，它的活动现象、周期变化及物质交流受到广为关注。2. 天琴座β（渐台二）- EB (Eclipsing Binary) 它的两个子星的亮度分别为3.m38和4.m29，轨道周期为12.9天，它的主星是一个光谱型为B8的早型星。观测表明，此双星系统中有强大的气流正从主星抛出被伴星捕获，有的物质被抛到双星系统之外，是近年来天文学家研究的热点。它们的光变曲线在主、次极小之间就不那么平直而是弯曲得多，主极小比次极小明显的深。光变周期一般长于一天，光变幅小于2等。这类型的典型星是天琴座β星。nullnull(4) 密近双星 (contact binaries)洛希瓣：由临界等势面包围的空间 密近双星指其两颗子星均充满洛希瓣双星间有丰富的物质交流双星系统的演化双星系统的演化null(三) 星团及其赫罗图null 形态不规则，包含十几至2,3千颗恒星，成员星分布得较松散。null呈球形或扁球形，是紧密的恒星集团。利用星团的赫罗图研究恒星的演化利用星团的赫罗图研究恒星的演化• 星团中的恒星具有相同的距离、年龄和初始化学组成，但成员星的质量不同，因而演化的速度有快有慢; • 星团中的恒星按照质量大小的次序先后脱离主序。 疏散星团球状星团null(四) 星协 恒星的“育婴房”null OB星协：以O,B型星为主；直径30到200PC，成员星十几到几百。如著名的猎户座OB星协，其核心为四边形聚星。它们应该是在同一个巨大分子云中诞生的小个体，一但外面的气体和尘埃被吹散之后，剩余的恒星便不在受到拘束而开始飘散。 T星协：以金牛T型星和御夫RW型星(年轻小质量主序前)为主；直径几到几十PC,成员星十到几百颗。 R星协：反射星云内的恒星聚集，多为B0~A0主序星，也有A~M型超巨星；直径几到400PC。 null 按照变星的光变原因可把它们分为物理变星和几何变星。物理变星有脉动变星、爆发变星、灾变变星、不规则变星等。几何变星有食变星和自转变星(主序前恒星，耀发或黑子)等。本节只讲述不稳定恒星即物理变星。(一) 脉动变星： 星体不断膨胀和收缩，即不停地脉动而引起光度变化。造父变星、天琴座RR型变星、盾牌座δ型变星等都属脉动变星。占物理变星总数的90%左右。 §5.6 不稳定恒星null长周期造父变星：统称造父变星（Cepheid variables） 原型（1784年）：造父一（仙王δ） P = 5.4 d ; 最暗时是4.3等 特点： 为质量3-10M⊙的F-K型巨星或超巨星; 位于H-R图上主序上方的造父不稳定带上。 造父变星的光变主要来自表面温度的变化，且与半径变化反位相（有延迟），半径变化5-10%。 造父变星的光变主要来自表面温度的变化，且与半径变化反位相（有延迟），半径变化5-10%。null短周期造父变星： 分类：  直接指示距离！null 利用造父变星的周光关系，可以确定其所在的星团或星系的距离。因而，此类变星在宇宙中也称之为“烛光”。 造父变星是“量天尺”！ 大量的观测表明，造父变星的光度与光变周期有一定的关系，即存在所谓的“周-光”关系。所以，测出它们的光变周期就可以知道它们的光度(绝对星等)，从而确定其距离。null 周光关系，指造父变星的光变周期P和它的光度即绝对星等M有线性关系，即 M = a –blgP 其线性式的常数项a叫做周光关系的零点。 早期，由于周光关系的零点问，测量出的天体距离有很大误差，直到1952年，巴德发现造父变星的两种类型，即经典造父变星和室女座W型变星的周光关系零点不同，零点差1.45星等。于是他对两种类型的造父变星，分别给出如下的周光关系公式： Mp = -1.80-1.74 lgP （经典造父变星) Mp = -0.35-1.75 lgP (室女座W型变星) 式中Mp为绝对照相星等的平均值，P为光变周期(P以天为单位）。nullnull 根据绝对星等M和观测的视星等m的关系： M = m + 5 –5log r 由此，通过测定的视星等m，可计算出它的距离r (单位是秒差距—pc)。 一定要注意所观测的是哪类造父变星，代入相应的周光关系式。 周光关系的零点差会引起所测得的结果有很大的变化，所以周光关系的零点的准确是非常重要的，但是至今这个值尚待精确测定。 目前，哈勃空间望远镜可以观测到近距离河外星系里的造父变星，因而，人们通过观测造父变星可以测量宇宙更深层次河外星系的距离。 鲸鱼o,蒭藳增二,“魔眼”鲸鱼o,蒭藳增二,“魔眼”长周期变星（蒭chú藳găo型变星） 光变幅度比较大，周期70～700天。大多具有晚型光谱，呈红色，又有红变星之称。多为红巨星或超红巨星。M型红巨星 半径390R⊙ 距离130 Ly 有白矮星伴星 周期261年  “蚂蚁嫁大象”增亮2000倍(二) 非径向脉动与特殊变星(二) 非径向脉动与特殊变星半径的变化属于径向脉动。如果恒星物质仅有横向运动，则光度可能没有变化，而表现为磁场、光谱结构等的变化，这称为非径向脉动。  可能比径向脉动更为普遍!特殊变星 W-R星WR124 天箭座 1.5万Ly M-4m 25M⊙ 16万km/h 特殊变星—有延伸气壳的早型变星：包括：强光蓝变星，沃尔夫-拉叶星（WR或W），B型发射星船底座η星云100 M⊙ 1820突然喷发 绝对星等-14 南天最亮天体 20年后停止喷发降为8等 20世纪以来 再度喷发船底座η星云100 M⊙ 1820突然喷发 绝对星等-14 南天最亮天体 20年后停止喷发降为8等 20世纪以来 再度喷发绝对星等-11，8000Ly 喷发速度600km/s2002年1月突然爆发: 银河系中最亮天体2002年1月突然爆发: 银河系中最亮天体麒麟座 V838范围6Ly 3年内陆续被照亮 前后3年之间到达地球 1935年5月出现的武仙座新星 亮度增加了6000倍！ 1935年5月出现的武仙座新星 亮度增加了6000倍！ (三) 新星 (Nova) 亮度在短时间内（几小时或几天）突然剧增，然后缓慢减弱的恒星，增亮幅度多数在9-14等之间。实际上是演化到老年阶段的恒星。1975年8月29日天鹅新星，从20m亮至1m.91975年8月29日天鹅新星，从20m亮至1m.9null中国古代新星纪录90多次： 《汉书·天文志》:“元光元年六月客星见于房。” 房宿，天蝎座。 甲骨文：“七月己巳，新大星并火”。火，心宿。 现代发现的银河系新星共有200多颗。新星爆发机制：普遍认为,新星是一颗体积很小，密度很大的矮星（白矮星）和一颗较冷主序星或巨星组成的双星系统，两子星很靠近，物质向白矮星转移，最后白矮星外层因聚集足够氢，产生核聚变反应，由此观测到新星爆发。新星爆发机制：普遍认为,新星是一颗体积很小，密度很大的矮星（白矮星）和一颗较冷主序星或巨星组成的双星系统，两子星很靠近，物质向白矮星转移，最后白矮星外层因聚集足够氢，产生核聚变反应，由此观测到新星爆发。(四) 超新星 (Supernova)(四) 超新星 (Supernova)null 超新星的分类： 天文学家主要按照超新星的光度变化的光变曲线形状和光谱的特征将其分为两大类。超新星的爆发机制超新星的爆发机制nullnullnull蟹状星云天鹅“圈”超新星1987A的环状遗迹I型超新星有相类似的光变曲线 这是38颗I型超新星的平均光变曲线，光变极大值平均比II型超新星亮3个星等I型超新星有相类似的光变曲线 这是38颗I型超新星的平均光变曲线，光变极大值平均比II型超新星亮3个星等Ia型超新星(SN Ia) —— “标准烛光”nullIa型超新星测距结果显示： 宇宙在加速膨胀！ Riess A. et al., 1998 Perlmutter S. et al., 1999 Tonry et al., 2003超新星的搜索与探测超新星的搜索与探测 采用通用的空间变源搜索探测方法； 对侯选星系有一定的选择性（提高效率）； 国际多台站联合观测； 与后随观测（测光、光谱）密切配合。 — 例1：兴隆基地60cm望远镜超新星搜索项目 （发现60多颗超新星）； — 例2：Sloan 超新星巡天项目 （500 SNIa, z=0.05-0.4  超新星宇宙学！）SDSS-II Supernova SurveySDSS-II Supernova SurveySearch and follow-up with 2.5 meter SDSS telescope at Apache Point Observatory (APO) Repeat imaging of 300 sq. deg. (stripe 82) from Sep 1 - Nov 30, 2005-2007 (3 million galaxies) On-mountain processing in < 24 hours Spectroscopic follow-up to identify SN type and measure redshift: HET, NTT, Subaru, WHT, ARC 3.5m, MDM, Keck, Kitt Peak, NOT, SALT …2.5 x 120 deg2null 3.6m CFHT at Hawaii 5 years, ~ 170 deg2 36 个 CCD !! — 2048 x 4612null