第6讲-白矮星、中子星与黑洞

第六讲白矮星、中子星与黑洞赵峥北京师范大学一、历史上的黑洞二、恒星的演化三、白矮星与红巨星四、中子星与脉冲星五、超新星爆发六、对黑洞的早期认识引子一：加尔各答黑洞加尔各答黑洞20平方米，3个犯人关进146名俘虏，10小时后，123人死去，仅23人存活。引子二：《每月之星》陶宏（陶行知先生之子）著1949.1.22北平停战之日写于北大红楼对白矮星的描述对中子星的预言广义相对论对黑洞的预言《陶行知文集》陶行知先生上知天文下知地理中晓人和全心致力于平民教育事业，不愧为伟大的教育家一、历史上的黑洞200年前（拿破仑时代）米歇尔（1783）拉普拉斯（1796）《宇宙体系论》《天体力学》暗星“天空中存在着黑暗的天体，像恒星那样大，或许像恒星那样多。一个具有与地球同样密度，而直径为太阳250倍的明亮星体，它发射的光将被它自身的引力拉住，而不能被我们接收。正是由于这个道理，宇宙中最明亮的天体很可能却是看不见的。”——拉普拉斯221mcrGMm22cGMrrg用万有引力定律，未用广义相对论。光子动能误为，而不是两个错误相互抵消正确的结论！221mc2mc当时不知道光速是极限速度，因此光虽无法逃离暗星，其它物体仍有可能逃离。天体力学第一版、第二版均谈到暗星，（1796）（1799）但第三版取消（1808）托马斯·杨1801年完成双缝干涉实验英国人托马斯﹒杨（ThomasYoung）是历史上有名的神童、才子，2岁就能读书，4岁时将《圣经》通读了2遍，他14岁时已通晓拉丁、希腊、法、意、希伯来、波斯和阿拉伯等多种语言，还会演奏多种乐器。他在物理、化学、生物、医学、天文、哲学、语言、考古等领域都有贡献。托马斯﹒杨先当医生，研究视觉，发现了眼睛散光的原因，转而研究光学，完成了光的双缝干涉实验。他认识到光是横波，并提出了颜色的三色原理。次后他又破译了埃及的拉希德石碑上的一些文字，对考古学做出了重大贡献。法国人商博良（另一位神童）在此基础上进一步努力，终于完全破译了碑上的文字，奠定了研究故埃及文字的历史学基础。1939年，奥本海默在研究中子星时，再次预言“暗星”的存在。广义相对论光子2mc22cGMrg太阳半径70万千米，密度1.4克/cm3暗星半径3千米，密度100亿吨/cm3当时已知密度最大的物质是构成白矮星的物质~1吨/cm3黑洞的密度密度=，黑洞的黑洞，与水差不多3~grM体积质量Mrg2~21~MM810二恒星的演化赫罗图（赫茨普龙-罗素）恒星的演化赫罗图光谱型：O,B,A,F,G,K,MOh,beafinegirl,kissme!恒星的演化主序星→红巨星→白矮星~1吨/cm3中子星~10亿吨/cm3黑洞~100亿吨/cm3钱德拉塞卡极限1.4奥本海默极限2~3超新星爆发MM恒星的演化全部炸飞恒星密度与半径的比较半径密度太阳70万千米1.4克/cm3白矮星1万千米1吨/cm3中子星10千米1~10亿吨/cm3黑洞3千米100亿吨/cm3恒星尺度的比较图三、白矮星与红巨星（1）天狼伴星（天狼B星）天狼（大犬座），距我们9光年，最亮的恒星。举长矢兮射天狼,操余弧兮反沦降——屈原会挽雕弓如满月,西北望,射天狼——苏东坡唐宋八大家•韩愈，柳宗元。•欧阳修苏洵，苏轼，苏辙王安石曾巩后汉书.范滂传离我们最近的恒星南门二（半人马座）三合星（聚星），其中A、B星相互较近，较亮，4.35光年；C星（比邻星）4.28光年。牛郎星距地球16.5光年，织女星距地球26.3光年，牛郎距织女16光年。1834年发现，天狼星位置有周期变化，28年后发现伴星，~2.5吨/cm3白矮星，2万度（2）白矮星的形成主序星（100亿年）红巨星白矮星中心1500万度HHe（外层膨胀）HHe（内核收缩，温度达1亿度）HeC、O•聚变：HeC,O100万年•氦闪：未发现1刹那=1念=0.018秒1瞬间=20念=0.36秒1弹指=20瞬间=7.2秒1罗预=20弹指=2.4分1须臾=20罗预=48分1昼夜=30须臾=24小时中心部分聚变成C、O之后，红巨星继续膨胀，抛出的气体形成行星状星云。红巨星外层新生成的C、O不断落向星体中心，终于导致内核坍缩成为白矮星。（3）白矮星的原理与演化白矮星的支撑力：泡利斥力电子自旋泡利不相容原理电子自旋——乌伦贝克，高斯密特（爱仑菲斯特）1925（泡利的失误）白矮星大量存在白矮星靠电子间泡利不相容原理的斥力支撑白矮星的结局——黑矮星（4）钱德拉塞卡极限1934年提出（24岁）爱丁顿反对！爱因斯坦也不赞同。M4.11983年（73岁）获诺贝尔物理奖！四、中子星与脉冲星（1）中子星的预言中子的发现玻特（1930）约里奥夫妇（1931）查德威克（1932）中子星的预言朗道（1932）（几乎与钱德拉塞卡同时指出，白矮星有质量上限，结论相似）（2）奥本海默极限中子星继续坍缩（1939年）奥本海默极限约中子星密度1~10亿吨/cm3MM4.1MM3M3（3）脉冲星的发现休伊士，贝尔（1967）巡天观测，“小绿人”（4）脉冲星就是中子星中子星磁场极强自转轴与磁轴不重合自转极快（恒星收缩时角动量守恒）660转/秒（5）中子星的构造中子星就像一个大汤姆孙原子中子星可以看作周期表中的稳定岛？表面没有山峰表面大气层厚度0.1~10cm表面温度1000万度五、超新星爆发（1）最早的超新星纪录公元1054年，金牛座超新星爆发，23天白日可见，2年晚上仍可见。蟹状星云（1731年发现）1731年，英国的一个医生发现蟹状星云。1919年，认识到蟹状星云为1054年超新星爆发遗迹。1928年，测出膨胀速度1100公里/秒，认识到中心小暗星为爆发残留物。1968年，发现小暗星是脉冲星。结论：超新星爆发中子星（脉冲星）（2）超新星简介银河系平均4颗/百年1天发的光=太阳1亿年发的光超新星爆发爆发过程主序星超红巨星（中心30亿度，形成铁核）白矮星状态铁核如铁核会突然坍缩，0.1秒内升温达50亿度（形成中子态）非中子化外层坍缩砸在核上，发生反弹，即超新星爆发中子星或黑洞M4.1MM8（3）超新星与地球构成固体行星的重元素是超行星爆发的产物，爆发时抛入太空，被恒星吸引，聚集成行星。（4）中国现代对超新星的观测北京天文台，李卫东（5）是否存在夸克星或奇异星对中子星的疑问：为何观测到的脉冲星质量均在左右？是否存在其他致密星？有人认为中子态并非基态，基态是奇异夸克态中子星夸克星（中心是夸克汤）为何钱德拉塞卡极限与奥本海默极限接近？M4.1（6）黑洞的形成奥本海默极限～坍缩星体质量奥本海默极限物质坍缩进引力半径黑洞惠勒反对；内爆模拟证明奥本海默对！M322cGMrg黑洞的大小太阳引力半径半径3公里地球引力半径半径1cm月球引力半径半径0.1mm（引力半径即星体坍缩成的黑洞的半径）六、对黑洞的早期认识1、球对称黑洞1915广义相对论1916史瓦西得到静态球对称解史瓦西解平直时空奇点真奇异奇面假奇异222222222sindrdrdrdtcds222222122222sin)21()21(drdrdrrcGMdtcrcGMds0r2/2cGMr史瓦西黑洞奇点（曲率发散）奇面（曲率不发散）0r22cGMr无限红移面当星球形成黑洞时，此时，rcGMddt221/rcGM202122cGMrdt0星球表面处的时间无穷远观测者收到的光的频率星体发出的光的频率无穷远观测者时间事件视界（类光超曲面，零超曲面）法矢量倒在了曲面上，与一个切矢量重合法矢量长度为零视界以内的任何物体和信号均不能跑出视界时空坐标互换-++++-++∴洞外r空间t时间洞内r时间t空间222222122222sin)21()21(drdrdrrcGMdtcrcGMds22cGMr22cGMr单向膜区洞内是单向膜区时间指向奇点进入黑洞的物体不能停留，落向奇点（与时俱进！）黑洞内部全是真空r=0不是球心，而是时间的终点黑洞表面事件视界单向膜区的起点无限红移面落向黑洞的火箭无穷远观测者：火箭越来越慢，越来越红，越来越暗火箭上的飞行员：穿过视界进入黑洞，潮汐力不断加大r22cGMr（视界）r=0奇点潮汐力的黑洞，在洞外距奇点12公里处从静止开始自由下落的质点，4.7微秒后到达视界，5.3微秒后到达奇点。M1火箭上的人：感到潮汐力增大，被撕碎压入奇点，时间终结。洞外的人：火箭冻结在黑洞表面，并未进入黑洞，但消失在黑暗中。白洞单向膜区，时间箭头向外r=0是时间的起点2、转动和带电的黑洞（1）带电的黑洞两个视界奇点r=0单向膜区在r+与r-之间回到不带电的史瓦西黑洞极端黑洞，裸奇点2222224()rMMQGMGMGQrccc0QMQMQMrr（2）转动的黑洞（Kerr黑洞）两个视界，两个无限红移面奇环且单向膜区在r+与r-之间存在能层222222()()rMMaGMGMJrccMcJaMc222cosaMMrs0r2回到史瓦西黑洞极端黑洞，裸奇环裸奇环附近存在闭合类时线穿越奇环的游戏0aMaMaMrr（2）Kerr—Newman黑洞（转动且带电）两个视界两个无限红移面奇环且单向膜区在r+与r-之间存在能层22222224,(()rMMaQGMGMJGQrccMcc2222cosQaMMrs0r2回到R—N黑洞回到Kerr黑洞回到史瓦西黑洞极端黑洞，裸奇环存在闭合类时线！0a222MQa222MQaMrr0Q0,0Qa宇宙监督假设存在一位宇宙监督，他禁止裸奇异的出现！无毛定理黑洞失去了M，J，Q之外的全部信息。黑洞只有三根毛：M，J，Q参考书：《物理学与人类文明十六讲》，高教社《探求宇宙的秘密》（探求上帝的秘密），北师大出版社《相对论百问》，北师大出版社《物含妙理总堪寻》清华大学出版社谢谢！