天体物理学的新发展

第九章天体物理学的新发展(简介)•德国哲学家康德说过：“世界上有两件东西能够深深地震撼我们的心灵：一件是我们心中崇高的道德准则；另一件是我们头顶上灿烂的星空”。•物质结构按其空间尺度和质量大小可分为微观、宏观和宇观三大层次。在宇观层次中，是包括从小行星开始，经过行星，恒星，星系，星系团，超级星系，直到可观察的宇宙。•和电磁相互作用不同，万有引力相互作用不能屏蔽和中和，所以随着质量的增加，逐渐成为占支配地位的相互作用。•60年代以来宇观领域的结构，性质，规律和演化已逐渐成为近代物理学研究的基本问题和前沿问题。•本章将着重介绍当前人们所关心的天体物理学方面的一些新的进展。§9.1夜晚的天空为什么是黑暗的？•早在1720年到1823年期间英、法、德三国各有一位天文家(分别是哈雷，切西亚赫，奥尔勃斯)提出了如下命题：如果恒星大体上均匀分布于无限的宇宙空间，我们从任何一个方向上去看，总会看到一颗星，因而总是亮的，而不是黑暗的。换句话说，夜晚的天空到处都应该同太阳表面一样明亮！但事实远非如此。后来这命题被称为“奥尔勃斯佯谬”。1.一种解释1946年，哈里森研究指出，在上述命题中，一个根本的错误是假定了恒星一直在发光。实际上一个恒星从星际弥漫物质中开始形成，到发光，到内部核燃料烧完，最后恒星演化归宿到白矮星、中子星(见§9.3)或星洞。从生到死有一定寿命。一般估计恒星发光寿命约t*≈100亿年(1010年)，它远比光离开恒星表面后到波吸收所所经过的平均时间(约1023年)小得多(t*)。哈里森的计算表明：不考虑恒星有寿命时，星光传到我们所在处叠加起来的总的辐射能量密度u等于一颗恒星表面的辐射能量密度u*。考虑到有寿命时，则：可见u很小，观察不到。t*u=u*τ2.另一种解释1964年也发现宇宙微波背景辐射充满宇宙空间，相当温度T≈3K的黑体辐射。假如我们认为这种背景辐射就是来自宇宙一切黑体贡献的总和，则由黑体辐射能量密度公式，可估计u值：其中σT4为黑体的总辐射本领(见6-1-5式)。44u=σTc也可用求得恒星表面的u*值，取T*≈6000K(太阳表面温度)可得：两种估计大致相符，这恐怕不是偶然的。44u=σTc4143()6106000uu*§9.2宇宙大爆炸理论，哈勃红移，宇宙微波背景辐射及其他1.宇宙大爆炸理论•1948年物理学家伽莫夫首先提出：宇宙是从一个高宽度的火球爆炸开始的。但直到20世纪60年代初还很少有人相信。当时的一个主要根据是哈勃红移。孩子到1965年3K微波背景辐射的发现，才使上述假设逐步发展成为被公认的理论。•大爆炸理论基本思想大致如下：约在距今137亿年前，爆炸从一个密度无限大的奇点开始→约10-35s后，后一个特别快速的膨胀过程(称暴胀)，当膨胀变慢后，宇宙充满了夸克和电子等基本粒子→到10-6s时，夸克结合成中子和质子等强子，他们约在3分钟后形成原子核→约38万年后，宇宙以冷却到温度为4000K左右，质子能俘获电子而形成中性的氢原子，这时原来从大爆炸产生的光子开始自由地运动而充满宇宙空间→50亿年后，星系形成，太阳系形成→100亿年后，宇宙温度冷却到2.7K，出现人类活动。(见下图)2.大爆炸理论的5个依据(1)哈勃红移——1929年起，科学家测得遥远恒星发出的光谱线普遍存在一种“红移”现象，称哈勃红移。这是由于恒星以速度v远离地球所造成的。根据多普勒效应，光源远离地球时，地球上的观察者测得的表现频率将减小，即波长增大，成为红移。红移量定义为：λe为地球上测得的同种物质的谱线波长。利用(8-3-19)式，可得相对论计算结果(读者自证)；ee-=()Z1/21+=()11-v/cZv/c目前测到最远的Z=10，即v/c=0.9836。哈勃红移给人们描绘了一幅宇宙膨胀的图像，是对宇宙大爆炸假设的第一个支持论据，哈伯发现红移量Z与恒星离地球距离R成比，有哈勃红移公式：Z=HR=(H0/C)R其中H0为哈勃常数。(2)1965年3K微波背景辐射的发现，也是大爆炸理论的有力论据。两位发现者：美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊也因此获得了1978年诺贝尔物理学奖。1989年利用COBE卫星进一步测得了宇宙背景温度为：T=2.725K2001年美国航天中心发射宇宙飞船把“微波各项异性探测器”(MAP)带入太空，进一步测量了宇宙背景辐射的各向异性和偏振性质。认为由测量结果证明了以下几个事实(见页注①)：(1)宇宙年龄约13.7×109年(2)宇宙的空间—时间性质是平坦的(3)哈勃常数等于71km·s-1·Mpc-1(4)宇宙成分中，普通物质只占4%，另有23%的“暗物质”，73%的“暗能量”，后二者至今不明(见§9-7)(5)在大爆炸后约2亿年，就出现了最早的恒星。(3)第三个证明是宇宙的可见物质主要是氢和氦，约3/4是氢，1/4是氦，与理论估计相符。(4)第四个论据是关于恒星和星系的演化，1990年升空至今的哈勃空间望远镜已能看到100亿光年外的天体，观测发现那些遥远的星很少有重元素，正符合大爆炸理论的预言。(5)在上节中哈里森在计算时已考虑了一个在时间上有限膨胀的宇宙模型和恒星的演化，合理地解释了夜晚的天空为什么是黑暗的，也可算是支持大爆炸理论的第五个论据。§9.3白矮星和中子星1.恒星演化的三种归宿白矮星、中子星和黑洞(§9-7)是恒星演化的三种归宿。恒星在稳恒的核燃烧阶段时，氢不断地转变为氦及更重的元素，灼热气体的向外压强与向内收缩的引力达到平衡。稳恒阶段为恒星的“壮年期”。迄今发现的恒星有90%处“壮年期”。•一旦恒星内核燃料烧完，引力将引起形体进一步收缩，便会在短时间内释放巨大能量，表现为一次超新星爆发，程度可达108K。开始由三个氦聚变为碳，并继续合成较重元素。最后留下一个“残骸”，即一个核心。这个核心就是恒星的归宿，有三种可能，这与恒星形成时的初始质量M初及核心的质量Mcore的大小有关，见下表：质量比核心的性质M初/M⊙Mcore/M⊙白矮星1~80.4~1.4中子星8~251.4~3黑洞＞25＞32.具体说明(1)当恒星开始时M初＜8M⊙(太阳质量)时，爆发后留下一个“白矮星”，其核心质量Mcore的上限为1.4M⊙。它的大小同地球差不多，半径仅太阳的1%(所以称“矮”)。(2)当Mcore超过1.4M⊙而小于3M⊙时，电子便顶不住引力了，于是由过程e+p→n+γ,形成中子和中微子，后者跑掉，留下一个核心，它是一颗中子星。星的直径只有10~20km,密度高达3×1017kg/m2像一个巨大的原子核。•1967年发现了第一颗中子星——脉冲星PSR1919。脉冲信号的周期T=1.337s，即中子星的自转周期。(见下图)至今发现的600多颗中子星都在银河系之内。(3)当恒星开始形成时质量大于25M⊙，且Mcore超过3M⊙，就没有一种已知的力可一定得住引力了，此核心将是一个黑洞。§9.4宇宙中的X射线源在天体物理研究中，宇宙X射线的测量极其重要，X射线天文学得到了发展，下面做一些介绍1.X射线天文学的基本困难(1)来自宇宙的X射线几乎都被地球的大气层吸收，必须在高空中才能探测到宇宙X射线。(2)很难从X射线探测器获得确定方向的信息，即难以将探测到X射线与任何已知的星体对应。为此要求有相当高的角分辨率。2.X射线探测器的发展和一系列成果•1920年科学家发现了X射线的折射确实存在，尽管它的折射率非常接近1，到20世纪中叶，“X射线显微镜”制成了。1960年贾科尼(在一家美国科学和工程公司工作)和著名宇宙线物理学家罗西合作，制成了“成像X射线望远镜”，与1962年发现了太阳之外的X射线源。之后又不断发现新的X射线源，包括在银河系之外的X射线源。•1970年在贾科尼建议下制造的X射线人造卫星上天，1977-78年又发射了两颗卫星，称高能天体物理实验室。其中一个实验室又称爱因斯坦X射线实验室，由贾科尼领导。此卫星上载有成像X射线望远镜，角分辨率达到2”，且灵敏度高视野广。•获得了一系列研究成果：如发现了星体大爆炸的残骸；发现了从晚年星体发射出的X射线与星体的转动及星体外层的对流有很强的关联性；发现了点状的X射线源(类星体)；找到了300多个星系团，从而提供了宇宙中有发射X射线而不发射可见光的暗物质存在的新证据等等。2002年贾科尼一起开创性工作和杰出贡献获诺贝尔物理学奖。§9.5γ射线暴1.什么是γ暴对突发性X射线源的观察导致发现来自非常遥远星系的能量更高的γ射线暴。它是γ射线突然增强的短时间爆发现象。2.γ暴有如下一些特点：(1)γ射线能量主要在几个keV到几个MeV范围，一直衍射到高能(GeV以上)。(2)γ暴持续时间T最典型的是20s左右，也有短到几毫秒长到几十分的。其随时间呈复杂的多峰结构，有明显变化的时间△T在毫秒左右。(3)γ暴空间分布是各向同性的，但越远越少。这表明γ暴的源是远距离天体，不是银河系内天体。如1997年5月8日测到一个γ暴，红移量为Z=0.835，用哈勃红移公式可得离地球距离R~100亿光年。(4)γ暴是极强的源，例如1999年发现的一个γ暴Z≥1.6，红移量更大，即更遥远。在辐射是各向同性假设下，估计它在100秒内放出的总能量高达3.4×1047J。这意味着暴的源一定是与中子星类似的致密天体。γ暴的巨大能源集中在空间尺度不过100km的范围，它被认为是一个“火球”。在火球模型研究方面中国科学家陆土炎和戴子高等有重要贡献。(5)γ暴得能量辐射不是各向同性的，而集中在张角不超过4°的锥形喷注之内。也就是我们看不到的γ暴应为看到的1000多倍。同时上面估计的γ暴能量太高了，应降为1044J。3.还有不少有关γ暴的问题有待研究如喷注及γ辐射形成的机制是什么？为什么喷注张角如此之小？为什么γ暴离我们如此之远，与X射线源的分布(遍及宇宙各处)和中子星分布(大量在银河系内)完全不同？等等。§9.6黑洞一、黑洞及其视界1.什么是黑洞1783年英国科学家米歇尔最早提出：最重的东西可能是看不到的，因为光波它吸进去而逃不出来了。这个重的东西就是黑洞。在§9.3中已提到恒星的质量M初大于25M⊙，“死亡”时留下的核心质量超过3M⊙时，就是黑洞。2.一个判别公式在第二章中(2-4-4)给出了一个运动物体要脱离地球表面引力所需的最小速度(即第二宇宙速度)为：显然，当M很大，R很小时，V2将超过光速(这不可能)，这表明此物体就不可能脱离重物M而逃出。也就是，一个质量为M的圆球，且半径R满足：时,则以速度c运动的光也将被引力弯曲,而吸回去。反之任何射向此天体的物体或光子,都将被吸收,有进无出，这类天体成为黑洞。例太阳质量为M⊙,对应rG=3km，即太阳要被压缩到半径为3km时才成为黑洞。22GMV=RG22GMRr=C3.“黑洞不黑”。英国科学家霍金于1974年首先证明：一个质量为M的黑洞，会自动地在视界(半径rG处)表面外侧发出各种粒子，这些粒子具有热辐射谱，相同一个温度T，它等于：霍金辐射极其微弱，一般可忽略不计。但随黑洞质量不断减小。温度会急剧上升，辐射越来越强，直至黑洞消失为止。3hCT=8πkGM二、小黑洞—恒星演化的一种结局中子星与黑洞是恒星的两种结局。中子星在观测上表现为脉冲星，且有严格的周期性可观测到。黑洞怎样才能被发现呢？由于中子星和黑洞都有可能性与一个“伴星”组成“双星系统”，于是科学家就有可能通过能发光的伴星的轨道，周期和谱线来分析发现看不见的主星黑洞，从伴星发生辐射谱线的引力红移可以计算出黑洞的质量。目前在银河系内至少有10个事例已被认定与“黑洞”对应。•如1998年9月由一颗测X射线的人造卫星发现了一个“黑洞双星系统”，正在发射出一左一右一对X射线喷注。后由于进入了密集的星系介质(云)而被减速，正在黯淡下来。•2002年11月由哈勃望远镜发现在银河系内离地球6000~9000光年的天蝎座内有一黑洞正在以112km/s的高速穿越银河面，向我们飞来，它的伴星是一颗衰老的恒星。以上两事例可认为是支持恒星演化理论的有力证据。三、大黑洞—星系和类星体有联系吗?1