天體物理講義

天體物理講義第1頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.1密近雙星的分類

1.洛希瓣和雙星分類(1)Roche勢和等勢面1864年，法國數(shù)學家Roche首先提出計算密近雙星系統(tǒng)引力勢的簡化模型。方法：考慮在兩個互相繞轉的天體的引力勢中一個檢驗粒子的運動。

第2頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

基本假設：1)每個子星的內(nèi)部密度分布是球對稱的，在動力學上可以認為是質點。2)兩子星以圓軌道繞公共質心運動（←潮汐力）。3)兩子星的自轉和公轉一致（←潮汐力）。

第3頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月在以雙星公共質心為原點的共轉坐標系中，任意質點的Euler方程是：其中—Coriolis力

Φ—Roche勢（包含引力和離心力的貢獻）第4頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月等勢面：Φ(r)=常數(shù)的曲面族第5頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月等勢面的特點：1)垂直于本地的有效重力方向，是等壓強面和等密度面2)等勢面的形狀取決于子星質量比，大小取決于雙星距離3)當r>>a時，等勢面是圓形，圓心在公共質心處4)當r

→R時，等勢面是圓形，圓心在子星的質心處（物質的運動主要受較近恒星的引力控制）→在和處Roche勢取極小值第6頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)洛希瓣(Rochelobe)臨界等勢面：同時包絡兩顆子星并且相接于其間一點（L1）的等勢面。洛希瓣：由臨界等勢面包圍的空間。在L1（內(nèi)拉格朗日）點，兩顆子星對物質產(chǎn)生的作用力正好相等，Roche勢達極大值。當子星充滿洛希瓣后，在內(nèi)拉格朗日附近的物質處于不穩(wěn)定狀態(tài)，受到小擾動就會流向伴星，產(chǎn)生物質交流。第7頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)雙星的Kopal分類根據(jù)雙星中的一顆或兩顆子星是否充滿洛希瓣，可以將雙星分為不相接雙星(detachedbinaries)：兩顆子星均未充滿洛希瓣，半相接雙星(semidetachedbinaries)：一顆子星充滿洛希瓣，如天琴β，相接雙星(contactbinaries)：兩顆子星均充滿洛希瓣，如大熊W。第8頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.雙星中的物質傳輸(1)星風傳輸（不相接、半相接雙星）大質量恒星在演化過程中通常有強烈的星風。(2)洛希瓣滲溢(Roche-lobeoverflow)（半相接、相接雙星）形成吸積盤(accretiondisk)第9頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.大陵(Algol)佯謬大陵五（英仙β）軌道周期2.867天主星：B8型主序星M＝3.7M⊙,R＝3R⊙伴星：G5型亞巨星，M＝0.8M⊙,R＝3.4R⊙，已充滿洛希瓣(2)大陵佯謬：質量小的恒星反而演化得快？根據(jù)恒星演化理論，質量越大的恒星主序壽命越短，越早進入巨星階段。第10頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)解釋亞巨星子星的前身星是一顆雙星系統(tǒng)中質量較大的主序星，它先演化充滿洛希瓣。物質傳輸使得兩子星的質量發(fā)生逆轉。物質傳輸在初始階段進行得較快，當兩子星的質量相等后進行得較慢。第11頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.2激變變星

1.激變變星(cataclysmicvariables)

白矮星與紅矮星構成的半相接雙星。白矮星通過吸積伴星的物質產(chǎn)生輻射。軌道周期分布在幾十分鐘至數(shù)天，在2至3小時間有一個明顯的間隙第12頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月分類B<0.1-1MG新星(novae)、再發(fā)新星(recurrentnovae)、類新星變星(nova-likevariables)和矮新星(dwarfnovae)等B~1-10MGIntermediatePolars(DQHerstars)

B~10-100MG

Polars(AMHerstars)

Non-Magneticwhitedwarf

binariesMagneticwhitedwarf

binaries第13頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月輻射主要在光學和紫外波段爆發(fā)時的能量釋放率~1045-1046ergs-1拋射約10-5-10-3M⊙的物質，拋射物質速度~100-5000kms-12.新星

(1)觀測特征在幾天到幾星期內(nèi)亮度增加7-16星等，然后緩慢下降，經(jīng)幾個月或幾年回復到原先的狀態(tài)。第14頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例如NovaHerculis1934爆發(fā)時星等為3m;(b)兩個月后星等為12m;(c)40年后向外拋射的物質半徑達0.05ly第15頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月NovaCygni1975爆發(fā)時星等為2m;(b)爆發(fā)后降為15m第16頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)物理解釋Whitedwarfsiphonsoffmatterfromcompanionstar,creatingaccretiondisk.Gravitypullsmatterintowardsurfaceofwhitedwarf.

第17頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月An"ocean"ofhydrogenformsonthewhitedwarf'ssurface.Intensepressureandheatbuildatthebottomofthehydrogenocean,eventuallyleadingtoamassiveexplosion,whichblowsofftheouterlayersofhydrogen.Thenthesiphoningprocessbeginsagain.

第18頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月Thenovaoutburstslastsfortenstohundredsofdays.Eventually,asinthisHSTimageofNovaCygni1992,theejectedenvelopeisvisibleasalimb-brightenedshellexpandingawayfromthebinary(thecentralpointsourceinthisimage)atspeedsofafewhundredtoafewthousandkm/s.

第19頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月TPyxidis爆發(fā)間隔約20年(3)再發(fā)新星觀測到不止一次類似新星爆發(fā)的激變變星。典型的爆發(fā)間隔約10-100年。第20頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月Thefirstwave,orshell,ofblown-offmattertravelsataterrificrateofspeed.Theshell'souteredgemovesfasterthanitsinneredge.Gaseous"knots"observedbyHubblemayformfromshockwavesthatoccurwhenmatterejectedduringthemostrecentexplosioncollideswithslow-movingmaterialfromthepreviousoutburst.第21頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月Forexample,materialfromthe1966explosionofTPyxidisisillustratedincollisionwithdebrisfroma1944eruption.第22頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月Cyclesofnovashellcollisionscreateconcentriccirclesofgaseousknots.

第23頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.Ia型超新星當吸積白矮星的質量達到Chandrasekha極限，白矮星的爆燃而導致的超新星爆發(fā)。第24頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月EvolutionofCVs4M⊙and1

M⊙Main-sequencestarsinbinary.Nearingtheendofitslife,the4M⊙starswells,spillinggasontoitscompanion.Formationofaplanetarynebula.asthelowermassstarbecomesared,accretionoccursagain.Theendpointofthesystemistwowhitedwarfsofroughlyequalmasscirclingeachother.第25頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.3X射線雙星

1.X射線雙星(X-raybinaries)由致密星（中子星或黑洞）與正常恒星組成的雙星系統(tǒng)。致密星通過吸積伴星物質產(chǎn)生X射線輻射。

第26頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月X-rayAstronomyOnthe18thdayofJune,1962,theAerobeesoundingrocketbegantosweepthesky,lookingatourMoon.What?!X-raysfromtheMOON????TheMoonshinesbyreflectedlightoftheSun,soacertainfractionoftheSun'sx-rayswillbereflectedoffthelunarsurface,backtowardtheEarth,andtherocket.

第27頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月X-rayAstronomyAnenormousspikeappearedonthechartrecorder!Thespike,seenoverandoveragain,wasnotfromtheMoonatall,butactuallycamefromanotherpartofthesky,about25degreesaway.第28頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月X-rayAstronomyThesignalwasreal,notanequipmentmalfunction,andnotfromtheMoon.Itwasfromacosmicsource(ScoX-1)ofX-raysoftrulystaggeringproportions.

第29頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月X-rayAstronomyTheMooninX-rayLighttakenbyROSAT

第30頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月X-rayObservatoriesUhuruEinsteinROSATASCARXTEBeppoSAXChandraXMM-Newton第31頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月TheX-raySky第32頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月ChandraSkyMap第33頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.X射線輻射(1)能源吸積物質引力勢能→動能→熱能→X射線輻射其中為吸積率，R為引力半徑(2)產(chǎn)能率能量轉換效率（僅與天體的致密程度有關）第34頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月吸積天體白矮星中子星黑洞核反應（H燃燒）產(chǎn)能率η~0.01%~10%~10%-42%~0.7%對中子星和黑洞，吸積是最為有效的產(chǎn)能形式第35頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.分類和觀測特征高質量X射線雙星低質量X射線雙星第36頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月High-MassX-rayBinariesDonorstarhasearlyspectraltype(O,B),M>10M⊙

第37頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月HMXBsareusuallyX-raypulsars第38頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月輻射機制： 強磁場→吸積流內(nèi)區(qū)截斷→吸積柱（磁極）→束狀輻射第39頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月Low-MassX-rayBinariesDonorstarhaslatespectraltype(Aandlater),I.e.M<1.2M⊙第40頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月LMXBsareusuallyX-raybursters.4U1705