《永恒世界與黑洞》PPT課件

1、永恒世界與黑洞 制作：房星一、恒星世界一、恒星世界恒星是熊熊燃燒的火球，依靠熱核反應(yīng)產(chǎn)生的能量，能恒星是熊熊燃燒的火球，依靠熱核反應(yīng)產(chǎn)生的能量，能夠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地發(fā)光發(fā)熱。夠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地發(fā)光發(fā)熱。恒星的距離遠(yuǎn)（仙女座星云距離約為恒星的距離遠(yuǎn)（仙女座星云距離約為200萬(wàn)光年）萬(wàn)光年）恒星的體積相差較大（由太陽(yáng)直徑的幾百甚至一、二千恒星的體積相差較大（由太陽(yáng)直徑的幾百甚至一、二千倍直到不及太陽(yáng)的十分之一）。倍直到不及太陽(yáng)的十分之一）。恒星的質(zhì)量差異很大（太陽(yáng)的質(zhì)量的恒星的質(zhì)量差異很大（太陽(yáng)的質(zhì)量的120倍到倍到0.1倍）。倍）。恒星的密度差異很驚人（大多數(shù)恒星在水密度的恒星的密度

2、差異很驚人（大多數(shù)恒星在水密度的1/10010倍之間。）倍之間。）恒星的壽命差別很大（一般來(lái)說(shuō)，質(zhì)量越大，壽命越短。恒星的壽命差別很大（一般來(lái)說(shuō)，質(zhì)量越大，壽命越短。一百多億年到幾百萬(wàn)、幾千萬(wàn)年。）一百多億年到幾百萬(wàn)、幾千萬(wàn)年。） 光度光度 恒星的發(fā)光強(qiáng)度稱(chēng)為光度。就是指從恒星表面以光的形恒星的發(fā)光強(qiáng)度稱(chēng)為光度。就是指從恒星表面以光的形式輻射出的功率。式輻射出的功率。 恒星表面的溫度越低，它的光越偏紅：溫度越高，光則恒星表面的溫度越低，它的光越偏紅：溫度越高，光則越偏藍(lán)。越偏藍(lán)。 表面溫度越高，表面積越大，光度就越大。光度最大的表面溫度越高，表面積越大，光度就越大。光度最大的恒星，可達(dá)太陽(yáng)光度

3、的恒星，可達(dá)太陽(yáng)光度的100萬(wàn)倍；而光度最小的恒星，萬(wàn)倍；而光度最小的恒星，約只有太陽(yáng)光度的約只有太陽(yáng)光度的100萬(wàn)分之一。萬(wàn)分之一。 在天文學(xué)中，把光度大的恒星，稱(chēng)為矮星。光度比通常在天文學(xué)中，把光度大的恒星，稱(chēng)為矮星。光度比通常的巨星還要大的恒星，則稱(chēng)為超巨星。的巨星還要大的恒星，則稱(chēng)為超巨星。 從圖中可以看出，熾熱明亮的藍(lán)巨星位于從圖中可以看出，熾熱明亮的藍(lán)巨星位于左上方，而比較冷且暗的紅矮星分布在圖左上方，而比較冷且暗的紅矮星分布在圖的右下角。的右下角。90%90%的恒星都位于從左上方到右的恒星都位于從左上方到右下方的一條很窄的帶上，這條窄帶就叫下方的一條很窄的帶上，這條窄帶就叫“主星

4、序主星序”。處于。處于“主星序主星序”上的恒星被上的恒星被稱(chēng)為主序星，它們都處于一生中的氫核反稱(chēng)為主序星，它們都處于一生中的氫核反應(yīng)階段。當(dāng)恒星核的氫燒完后，它們就離應(yīng)階段。當(dāng)恒星核的氫燒完后，它們就離開(kāi)主序，開(kāi)始了氦核反應(yīng)繼而成為紅巨星。開(kāi)主序，開(kāi)始了氦核反應(yīng)繼而成為紅巨星。最終紅巨星坍縮，溫度上升，成為白矮星。最終紅巨星坍縮，溫度上升，成為白矮星。根據(jù)恒星的溫度或顏色可把恒星分成根據(jù)恒星的溫度或顏色可把恒星分成O O、B B、A A、F F、G G、K K、M M表示的七種類(lèi)型。表示的七種類(lèi)型。O O型的型的熱的藍(lán)星，熱的藍(lán)星，M M型則是較冷的紅星。型則是較冷的紅星。恒星起源和演化分為四

5、個(gè)階段：恒星起源和演化分為四個(gè)階段：1. 引力收縮階段引力收縮階段恒星的幼年期（恒星的幼年期（“星胚星胚”）恒星產(chǎn)生于原始的分子星云（如圖）。天體是大恒星產(chǎn)生于原始的分子星云（如圖）。天體是大量物質(zhì)的凝聚，引力使天體物質(zhì)凝聚收縮時(shí)就量物質(zhì)的凝聚，引力使天體物質(zhì)凝聚收縮時(shí)就要釋放放出能量。要釋放放出能量。最年輕的行星狀星云2. 主序星階段主序星階段恒星的中年期：恒星的中年期：恒星恒星“點(diǎn)燃點(diǎn)燃”后，核反應(yīng)的外爆輻射壓力與恒星的自后，核反應(yīng)的外爆輻射壓力與恒星的自身引力平衡，使恒星處于不收縮也不膨脹的相對(duì)平衡身引力平衡，使恒星處于不收縮也不膨脹的相對(duì)平衡狀態(tài)，同時(shí)還向外輻射巨大的能量。這是恒星一生

6、中狀態(tài)，同時(shí)還向外輻射巨大的能量。這是恒星一生中最為壯麗輝煌的中青期，最為壯麗輝煌的中青期，“主序星階段主序星階段”。3.紅巨星階段紅巨星階段恒星的老年期：恒星的老年期：當(dāng)核心的氫逐漸耗盡而形成當(dāng)核心的氫逐漸耗盡而形成“氦核氦核”時(shí)，引力重壓沒(méi)時(shí)，引力重壓沒(méi)有輻射壓平衡，星體中心區(qū)被壓縮，使緊貼有輻射壓平衡，星體中心區(qū)被壓縮，使緊貼“氦核氦核”周?chē)形慈紵臍浜せ旌蠚怏w受熱，又使氦核外的氫周?chē)形慈紵臍浜せ旌蠚怏w受熱，又使氦核外的氫進(jìn)一步點(diǎn)燃。這使得氦球逐漸增大，氫燃燒層也向外進(jìn)一步點(diǎn)燃。這使得氦球逐漸增大，氫燃燒層也向外擴(kuò)展，從而使星體外層物質(zhì)受熱膨脹起來(lái)變?yōu)榧t星。擴(kuò)展，從而使星體外層物質(zhì)

7、受熱膨脹起來(lái)變?yōu)榧t星。4.白矮星和中子星階段白矮星和中子星階段恒星的臨終期：恒星的臨終期： 紅巨星或超巨星內(nèi)部能產(chǎn)生熱核反應(yīng)的物質(zhì)都耗盡時(shí)，紅巨星或超巨星內(nèi)部能產(chǎn)生熱核反應(yīng)的物質(zhì)都耗盡時(shí)，它的末日也就來(lái)臨。此時(shí)，根據(jù)質(zhì)量的不同，恒星分別它的末日也就來(lái)臨。此時(shí)，根據(jù)質(zhì)量的不同，恒星分別演化為演化為“白矮星白矮星”、“中子星中子星”、“黑洞黑洞”。 質(zhì)量小于質(zhì)量小于3.5個(gè)太陽(yáng)，演變成為白矮星個(gè)太陽(yáng)，演變成為白矮星氦用完后，恒星的核將開(kāi)始收縮，剩余的氦又開(kāi)始燃燒，氦用完后，恒星的核將開(kāi)始收縮，剩余的氦又開(kāi)始燃燒，致使它的外殼再度膨脹，并且向外層空間拋射物質(zhì)，形致使它的外殼再度膨脹，并且向外層空間拋

8、射物質(zhì)，形成一個(gè)成一個(gè)“行星狀星云行星狀星云”，而其星核再次坍縮。當(dāng)星核的，而其星核再次坍縮。當(dāng)星核的密度達(dá)到密度達(dá)到100g/cm3時(shí)，其中的電子被擠壓到了不能再時(shí)，其中的電子被擠壓到了不能再緊密的地步，坍縮緊密的地步，坍縮也就停止了。等到這個(gè)垂死的恒星將也就停止了。等到這個(gè)垂死的恒星將它的外殼全部拋出后，它的核就裸露出來(lái)了。這個(gè)核是它的外殼全部拋出后，它的核就裸露出來(lái)了。這個(gè)核是熾熱的，溫度約為攝氏兩萬(wàn)五千度，但體積卻特別小，熾熱的，溫度約為攝氏兩萬(wàn)五千度，但體積卻特別小，只有地球那么大，被稱(chēng)之為只有地球那么大，被稱(chēng)之為“白矮星白矮星”?，F(xiàn)在已經(jīng)觀測(cè)?，F(xiàn)在已經(jīng)觀測(cè)到的白矮星有到的白矮星有1

9、000顆以上。顆以上。白矮星 由于宇宙中一半以上的恒量擁有伴星，如果其中由于宇宙中一半以上的恒量擁有伴星，如果其中的一顆成了白矮星，另一顆是主序星，那么白矮的一顆成了白矮星，另一顆是主序星，那么白矮星就會(huì)從它的伴星中拽出物質(zhì)。物質(zhì)在白矮星周星就會(huì)從它的伴星中拽出物質(zhì)。物質(zhì)在白矮星周?chē)奂_(dá)到很高的溫度，發(fā)生核聚變并且發(fā)生圍聚集，達(dá)到很高的溫度，發(fā)生核聚變并且發(fā)生強(qiáng)烈的輻射，稱(chēng)這種現(xiàn)象為強(qiáng)烈的輻射，稱(chēng)這種現(xiàn)象為“新星新星”，這樣的雙，這樣的雙星系統(tǒng)叫做星系統(tǒng)叫做“密近雙星密近雙星”。 大質(zhì)量恒星在經(jīng)歷了超巨星階段就可能發(fā)生超新大質(zhì)量恒星在經(jīng)歷了超巨星階段就可能發(fā)生超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)后大約要

10、經(jīng)過(guò)一年的時(shí)間漸星爆發(fā)。超新星爆發(fā)后大約要經(jīng)過(guò)一年的時(shí)間漸漸暗淡下來(lái)，遺留下爆發(fā)后的星云狀遺跡，被稱(chēng)漸暗淡下來(lái)，遺留下爆發(fā)后的星云狀遺跡，被稱(chēng)為為“超新星遺跡超新星遺跡”。剩余的那個(gè)已經(jīng)死亡的恒星。剩余的那個(gè)已經(jīng)死亡的恒星核便由其質(zhì)量決定而生成為中子星或者黑洞。核便由其質(zhì)量決定而生成為中子星或者黑洞。 中國(guó)南宋的天象官最早觀測(cè)到的一次超新星爆發(fā)的記載及其產(chǎn)物“蟹妝星云”的照片 二、黑洞 1.科學(xué)家的預(yù)言 （1）.拉普拉斯預(yù)言的黑洞 1798年，法國(guó)天文家拉普拉斯提出： 一個(gè)密度如地球而直徑為太陽(yáng)550倍的天體，通過(guò)引力的吸引作用，可以將全部光線(xiàn)捕獲，成為不可見(jiàn)的天體，成為人們看不見(jiàn)的“黑洞”。

11、拉普拉斯的預(yù)言初看好像很“離奇”，其實(shí)它是建立在牛頓經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上的。 衛(wèi)星能繞地球運(yùn)行的發(fā)射速度“第一宇宙速度” V=7.9km/s 飛船脫離地球的發(fā)射速度“第二宇宙速度” V=11.2km/s 飛船脫離太陽(yáng)的發(fā)射速度“第三宇宙速度” V=16.7kn/s 如果一個(gè)天體，質(zhì)量很大而半徑很小，則它的“表面脫離速度”就可達(dá)到光速；連從它表面發(fā)射的光也要被引力吸住而跑不出去，那么其它運(yùn)動(dòng)物體也都跑不脫。這個(gè)天體就是黑洞。 廣義相對(duì)論預(yù)言，一定質(zhì)量的天體，將對(duì)周?chē)目臻g產(chǎn)生影響而是使他們“彎曲”。彎曲的空間會(huì)迫使其附近的光線(xiàn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 例如太陽(yáng)就會(huì)使經(jīng)過(guò)其邊緣的遙遠(yuǎn)星體光線(xiàn)發(fā)生1.75弧秒的偏轉(zhuǎn)。由

12、于太陽(yáng)的光太強(qiáng)，人們無(wú)法觀看太陽(yáng)附近的情景。1919年，一個(gè)英國(guó)日全考察隊(duì)終于觀測(cè)到太陽(yáng)附近的引力偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，愛(ài)因斯坦因此成了家喻戶(hù)曉的”明星“。 （2）史瓦西預(yù)言的黑洞 德國(guó)天文學(xué)家史瓦西通過(guò)計(jì)算愛(ài)因斯坦引力方程后預(yù)言：如果將大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，其周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在質(zhì)點(diǎn)的周?chē)嬖谝粋€(gè)界面“視界”一旦進(jìn)入這個(gè)界面，即使光也無(wú)法逃脫。這種“不可思議的天體”后來(lái)被美國(guó)物理學(xué)家命名為“黑洞”。 黑洞的主要特征 它有很強(qiáng)的引力，不斷吞噬大量的星際物質(zhì)；一些物質(zhì)在它周?chē)彼龠\(yùn)行，軌跡會(huì)發(fā)生變化，形成圓形的物質(zhì)環(huán)； 它周?chē)泻艽蟮哪芰枯椛?，不斷發(fā)出極強(qiáng)的X射線(xiàn)和Y射線(xiàn)； 它極大的引力使光線(xiàn)在它附

13、近也會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的彎曲； 它的內(nèi)部連一絲光線(xiàn)也透不出來(lái) 2.黑洞的觀測(cè)與發(fā)現(xiàn) （1）天鵝座X1的雙星系統(tǒng) 天鵝座X1：是一個(gè)雙星系統(tǒng)，可見(jiàn)恒星是一顆質(zhì)量25倍40倍太陽(yáng)的高溫藍(lán)色的超巨星；看不見(jiàn)的伴星質(zhì)量約為7倍太陽(yáng)，體積卻非常小，是一顆處于天鵝座X1位置的，不發(fā)光而發(fā)射出強(qiáng)烈X射線(xiàn)的奇異天體，它們?cè)谔罩谢ハ鄧@著旋轉(zhuǎn)。據(jù)推測(cè)，這個(gè)奇異天體正在吸取可見(jiàn)星的氣體物質(zhì)，并將之加熱到幾百萬(wàn)K，稱(chēng)為X射線(xiàn)源。該奇異已經(jīng)超過(guò)了黑洞質(zhì)量的“理論界限”，大概就是一個(gè)黑洞。天鵝座X1 （2）第二個(gè)可能的黑洞 第二個(gè)可能的黑洞在銀河系附近的一個(gè)星系中發(fā)現(xiàn)的。天文學(xué)家確認(rèn)，這個(gè)星系的X射線(xiàn)源LMCX3中含有一顆質(zhì)

14、量大約為10個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，它與另一顆普通的星組成一個(gè)雙星系統(tǒng)。這顆密暗星就是第二個(gè)可能的黑洞 （3）麒麟座X射線(xiàn)新星A062000 1986年1月，在美國(guó)天文學(xué)會(huì)的休斯頓會(huì)議上，麥克林托克和雷米拉德宣布，他們發(fā)現(xiàn)了麒麟座X射線(xiàn)新星A062000，它的質(zhì)量至少是太陽(yáng)質(zhì)量的3倍，是目前發(fā)現(xiàn)的離地球最近的可能黑洞。這是迄今被發(fā)現(xiàn)的第三個(gè)黑洞恒星。 黑洞家族 （1）史瓦西黑洞：屬于“尋常黑洞”，由恒星演化而來(lái) （2）大黑洞：由爆發(fā)星系、類(lèi)星體所形成的黑洞 （3）原始黑洞（小黑洞）：是20世紀(jì)70年代由霍金提出來(lái)的，質(zhì)量比2個(gè)太陽(yáng)小得多?；艚疬€證明了小黑洞通過(guò)所謂“隧道效應(yīng)”可以發(fā)射出物質(zhì)和輻射。 （4）蘇聯(lián)（物)特洛緬柯于1991年提出了“微型黑洞存在一切空間”的假說(shuō)。他認(rèn)為這種微型黑洞在地球也存在。例如美國(guó)