第6講 白矮星、中子星與黑洞

第六講

白矮星、中子星與黑洞趙崢北京師范大學(xué)一、歷史上的黑洞二、恒星的演化三、白矮星與紅巨星四、中子星與脈沖星五、超新星爆發(fā)六、對(duì)黑洞的早期認(rèn)識(shí)引子一：加爾各答黑洞加爾各答黑洞20平方米，3個(gè)犯人關(guān)進(jìn)146名俘虜，10小時(shí)后，123人死去，僅23人存活。引子二：

《每月之星》陶宏（陶行知先生之子）著1949.1.22北平停戰(zhàn)之日寫于北大紅樓對(duì)白矮星的描述對(duì)中子星的預(yù)言廣義相對(duì)論對(duì)黑洞的預(yù)言《陶行知文集》陶行知先生上知天文下知地理中曉人和全心致力于平民教育事業(yè)，不愧為偉大的教育家一、歷史上的黑洞200年前（拿破侖時(shí)代）米歇爾（1783）拉普拉斯（1796）《宇宙體系論》《天體力學(xué)》暗星“天空中存在著黑暗的天體，像恒星那樣大，或許像恒星那樣多。一個(gè)具有與地球同樣密度，而直徑為太陽(yáng)250倍的明亮星體，它發(fā)射的光將被它自身的引力拉住，而不能被我們接收。正是由于這個(gè)道理，宇宙中最明亮的天體很可能卻是看不見(jiàn)的。”

——拉普拉斯用萬(wàn)有引力定律，未用廣義相對(duì)論。光子動(dòng)能誤為，而不是兩個(gè)錯(cuò)誤相互抵消正確的結(jié)論！當(dāng)時(shí)不知道光速是極限速度，因此光雖無(wú)法逃離暗星，其它物體仍有可能逃離。天體力學(xué)第一版、第二版均談到暗星，（1796）（1799）但第三版取消（1808）托馬斯·楊1801年完成雙縫干涉實(shí)驗(yàn)英國(guó)人托馬斯﹒楊（ThomasYoung）是歷史上有名的神童、才子，2歲就能讀書，4歲時(shí)將《圣經(jīng)》通讀了2遍，他14歲時(shí)已通曉拉丁、希臘、法、意、希伯來(lái)、波斯和阿拉伯等多種語(yǔ)言，還會(huì)演奏多種樂(lè)器。他在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、天文、哲學(xué)、語(yǔ)言、考古等領(lǐng)域都有貢獻(xiàn)。托馬斯﹒楊先當(dāng)醫(yī)生，研究視覺(jué)，發(fā)現(xiàn)了眼睛散光的原因，轉(zhuǎn)而研究光學(xué)，完成了光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。他認(rèn)識(shí)到光是橫波，并提出了顏色的三色原理。次后他又破譯了埃及的拉希德石碑上的一些文字，對(duì)考古學(xué)做出了重大貢獻(xiàn)。法國(guó)人商博良（另一位神童）在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步努力，終于完全破譯了碑上的文字，奠定了研究故埃及文字的歷史學(xué)基礎(chǔ)。1939年，奧本海默在研究中子星時(shí)，再次預(yù)言“暗星”的存在。廣義相對(duì)論光子太陽(yáng)半徑70萬(wàn)千米，密度1.4克/cm3暗星半徑3千米，密度100億噸/cm3當(dāng)時(shí)已知密度最大的物質(zhì)是構(gòu)成白矮星的物質(zhì)~1噸/cm3黑洞的密度密度=，黑洞的黑洞，與水差不多

二恒星的演化

赫羅圖（赫茨普龍-羅素）恒星的演化

赫羅圖光譜型：O,B,A,F,G,K,MOh,beafinegirl,kissme!恒星的演化主序星→紅巨星→白矮星

~1噸/cm3

中子星~10億噸/cm3

黑洞~100億噸/cm3

錢德拉塞卡極限1.4

奧本海默極限2~3超新星爆發(fā)恒星的演化全部炸飛恒星密度與半徑的比較半徑密度太陽(yáng)70萬(wàn)千米1.4克/cm3白矮星1萬(wàn)千米1噸/cm3中子星10千米1~10億噸/cm3黑洞3千米100億噸/cm3恒星尺度的比較圖三、白矮星與紅巨星（1）天狼伴星（天狼B星）天狼（大犬座

），距我們9光年，最亮的恒星。舉長(zhǎng)矢兮射天狼,操余弧兮反淪降——屈原會(huì)挽雕弓如滿月,西北望,射天狼——蘇東坡

唐宋八大家韓愈，柳宗元。歐陽(yáng)修蘇洵，蘇軾，蘇轍王安石曾鞏后漢書.范滂傳離我們最近的恒星南門二（半人馬座）三合星（聚星），其中A、B星相互較近，較亮，4.35光年；C星（比鄰星）4.28光年。牛郎星距地球16.5光年，織女星距地球26.3光年，牛郎距織女16光年。1834年發(fā)現(xiàn)，天狼星位置有周期變化，28年后發(fā)現(xiàn)伴星，~2.5噸/cm3

白矮星，2萬(wàn)度（2）白矮星的形成主序星（100億年）紅巨星白矮星中心1500萬(wàn)度

HHe（外層膨脹）H

He（內(nèi)核收縮，溫度達(dá)1億度）HeC、O聚變：HeC,O100萬(wàn)年氦閃：未發(fā)現(xiàn)1剎那=1念=0.018秒1瞬間=20念=0.36秒1彈指=20瞬間=7.2秒1羅預(yù)=20彈指=2.4分1須臾=20羅預(yù)=48分1晝夜=30須臾=24小時(shí)中心部分聚變成C、O之后，紅巨星繼續(xù)膨脹，拋出的氣體形成行星狀星云。

紅巨星外層新生成的C、O不斷落向星體中心，終于導(dǎo)致內(nèi)核坍縮成為白矮星。（3）白矮星的原理與演化白矮星的支撐力：泡利斥力電子自旋泡利不相容原理電子自旋

——烏倫貝克，高斯密特（愛(ài)侖菲斯特）

1925（泡利的失誤）白矮星大量存在白矮星靠電子間泡利不相容原理的斥力支撐白矮星的結(jié)局——黑矮星（4）錢德拉塞卡極限

1934年提出（24歲）愛(ài)丁頓反對(duì)！愛(ài)因斯坦也不贊同。1983年（73歲）獲諾貝爾物理獎(jiǎng)！四、中子星與脈沖星（1）中子星的預(yù)言中子的發(fā)現(xiàn)玻特（1930）約里奧夫婦（1931）查德威克（1932）中子星的預(yù)言朗道（1932）（幾乎與錢德拉塞卡同時(shí)指出，白矮星有質(zhì)量上限，結(jié)論相似）（2）奧本海默極限中子星繼續(xù)坍縮（1939年）奧本海默極限約中子星密度1~10億噸/cm3（3）脈沖星的發(fā)現(xiàn)休伊士，貝爾（1967）巡天觀測(cè)，“小綠人”（4）脈沖星就是中子星中子星磁場(chǎng)極強(qiáng)自轉(zhuǎn)軸與磁軸不重合自轉(zhuǎn)極快（恒星收縮時(shí)角動(dòng)量守恒）

660轉(zhuǎn)/秒（5）中子星的構(gòu)造中子星就像一個(gè)大湯姆孫原子中子星可以看作周期表中的穩(wěn)定島？表面沒(méi)有山峰表面大氣層厚度0.1~10cm表面溫度1000萬(wàn)度五、超新星爆發(fā)（1）最早的超新星紀(jì)錄公元1054年，金牛座超新星爆發(fā)，23天白日可見(jiàn)，2年晚上仍可見(jiàn)。蟹狀星云（1731年發(fā)現(xiàn)）

1731年，英國(guó)的一個(gè)醫(yī)生發(fā)現(xiàn)蟹狀星云。

1919年，認(rèn)識(shí)到蟹狀星云為1054年超新星爆發(fā)遺跡。

1928年，測(cè)出膨脹速度1100公里/秒，認(rèn)識(shí)到中心小暗星為爆發(fā)殘留物。

1968年，發(fā)現(xiàn)小暗星是脈沖星。結(jié)論：超新星爆發(fā)中子星（脈沖星）（2）超新星簡(jiǎn)介銀河系平均4顆/百年1天發(fā)的光=太陽(yáng)1億年發(fā)的光超新星爆發(fā)爆發(fā)過(guò)程主序星超紅巨星（中心30億度，形成鐵核）白矮星狀態(tài)鐵核如鐵核會(huì)突然坍縮，0.1秒內(nèi)升溫達(dá)50億度（形成中子態(tài)）非中子化外層坍縮砸在核上，發(fā)生反彈，即超新星爆發(fā)中子星或黑洞（3）超新星與地球構(gòu)成固體行星的重元素是超行星爆發(fā)的產(chǎn)物，爆發(fā)時(shí)拋入太空，被恒星吸引，聚集成行星。（4）中國(guó)現(xiàn)代對(duì)超新星的觀測(cè)

北京天文臺(tái)，李衛(wèi)東（5）是否存在夸克星或奇異星對(duì)中子星的疑問(wèn)：為何觀測(cè)到的脈沖星質(zhì)量均在左右？是否存在其他致密星？有人認(rèn)為中子態(tài)并非基態(tài)，基態(tài)是奇異夸克態(tài)中子星夸克星（中心是夸克湯）為何錢德拉塞卡極限與奧本海默極限接近？（6）黑洞的形成奧本海默極限～坍縮星體質(zhì)量奧本海默極限物質(zhì)坍縮進(jìn)引力半徑黑洞惠勒反對(duì)；內(nèi)爆模擬證明奧本海默對(duì)！黑洞的大小太陽(yáng)引力半徑半徑3公里地球引力半徑半徑1cm月球引力半徑半徑0.1mm（引力半徑即星體坍縮成的黑洞的半徑）六、對(duì)黑洞的早期認(rèn)識(shí)1、球?qū)ΨQ黑洞1915廣義相對(duì)論1916史瓦西得到靜態(tài)球?qū)ΨQ解史瓦西解平直時(shí)空奇點(diǎn)真奇異奇面假奇異史瓦西黑洞奇點(diǎn)（曲率發(fā)散）

奇面（曲率不發(fā)散）無(wú)限紅移面當(dāng)星球形成黑洞時(shí)，此時(shí)，星球表面處的時(shí)間無(wú)窮遠(yuǎn)觀測(cè)者收到的光的頻率星體發(fā)出的光的頻率無(wú)窮遠(yuǎn)觀測(cè)者時(shí)間事件視界（類光超曲面，零超曲面）法矢量倒在了曲面上，與一個(gè)切矢量重合法矢量長(zhǎng)度為零視界以內(nèi)的任何物體和信號(hào)均不能跑出視界時(shí)空坐標(biāo)互換

-++++-++∴洞外r空間t時(shí)間洞內(nèi)r時(shí)間t空間單向膜區(qū)洞內(nèi)是單向膜區(qū)時(shí)間指向奇點(diǎn)進(jìn)入黑洞的物體不能停留，落向奇點(diǎn)（與時(shí)俱進(jìn)?。┖诙磧?nèi)部全是真空r=0不是球心，而是時(shí)間的終點(diǎn)黑洞表面事件視界單向膜區(qū)的起點(diǎn)無(wú)限紅移面落向黑洞的火箭無(wú)窮遠(yuǎn)觀測(cè)者：火箭越來(lái)越慢，越來(lái)越紅，越來(lái)越暗火箭上的飛行員：穿過(guò)視界進(jìn)入黑洞，潮汐力不斷加大r（視界）

r=0奇點(diǎn)潮汐力

的黑洞，在洞外距奇點(diǎn)12公里處從靜止開(kāi)始自由下落的質(zhì)點(diǎn)，4.7微秒后到達(dá)視界，5.3微秒后到達(dá)奇點(diǎn)?；鸺系娜耍焊械匠毕υ龃?，被撕碎壓入奇點(diǎn)，時(shí)間終結(jié)。洞外的人：火箭凍結(jié)在黑洞表面，并未進(jìn)入黑洞，但消失在黑暗中。白洞單向膜區(qū)，時(shí)間箭頭向外r=0是時(shí)間的起點(diǎn)2、轉(zhuǎn)動(dòng)和帶電的黑洞（1）帶電的黑洞兩個(gè)視界奇點(diǎn)r=0單向膜區(qū)在r+與r-之間回到不帶電的史瓦西黑洞極端黑洞，裸奇點(diǎn)（2）轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞（Kerr黑洞）兩個(gè)視界，兩個(gè)無(wú)限紅移面奇環(huán)且單向膜區(qū)在r+與r-之間存在能層

回到史瓦西黑洞極端黑洞，裸奇環(huán)裸奇環(huán)附近存在閉合類時(shí)線穿越奇環(huán)的游戲（2）Kerr—Newman黑洞（轉(zhuǎn)動(dòng)且?guī)щ姡﹥蓚€(gè)視界兩個(gè)無(wú)限紅移面奇環(huán)且單向膜區(qū)在r+與r-之間存在能層

回到R—N黑洞回到Kerr