白矮星中子星与黑洞

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
H He
H He， 温度达1亿吨）
膨胀） 氦闪！宇宙的
一瞬间
氦闪： He C , O 100万年
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
氦闪之后，红巨星继续膨胀，抛出气体 形成行星状星云，内核坍缩成为白矮星。
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）
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。
恒星密度与半径的比较
太阳 白矮星 中子星
黑洞
半径 70万千米 1万千米
10千米 3千米
密度 1.4克/cm3 1吨/cm3 1~10亿吨/cm3 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,操于弧兮反沦降——屈原 会挽雕弓如满月,西北望,射天狼——苏东坡
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？
（6）黑洞的形成
奥本海默极限
～ 3M
坍缩星体质量 奥本海默极限
物质坍缩进引力半径 黑洞
rg
2GM c2
惠勒反对；内爆模拟证明奥本海默对！
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）
——拉普拉斯
GMm 1 mc2 r2
r
rg
2GM c2
用万有引力定律，未用广义相对论。
光子动能误为 1 mc2，而不是mc2
2
两个错误相互抵消
正确的结论！
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）
弹，即超新星爆发
中子星或黑洞
（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1.4M 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
黑洞的密度
密度=
质量 体积
~
M rg 3
，rg
~
2M
黑洞
~
1 M2
10
8
M
的黑洞，
与水差不多
二、恒星的演化
主序星→红巨星→白矮星
~1吨/cm3
中子星 ~10亿吨/cm3
超新星爆发 黑洞
~100亿吨/cm3
钱德拉塞卡极限 奥本海默极限
1.4 M 2~3 M
赫罗图
赫罗图
恒星的演化
全部炸飞
奥本海默极限 约 3M
中子星密度 1~10亿吨/cm3
（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电子 中子星可以看作周期表中的稳定岛？ 表面没有山峰 表面温度1000万度 表面大气层厚度0.1~10cm
（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
1.4M
1934年提出（24岁） 爱丁顿反对！ 爱因斯坦也Hale Waihona Puke Baidu赞同。
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
M 1.4M 中子星
M 3M 继续坍缩（1939年）
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。
1834年发现，天狼星位置有周期变化，
28年后发现伴星， ~175千克/cm3
白矮星，1万度
（2）白矮星的形成 主序星（100亿年）
红巨星
白矮星
中心1500万度
（外层 （内核收缩，
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） M 8M 白矮星状态铁核
如铁核 1.4M 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
但第三版取消 （1808）
托马斯·杨1801年完成双缝干涉实验
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 mc2
rg
2GM c2
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
米歇尔（1783） 暗星
拉普拉斯（1796） 《宇宙体系论》 《天体力学》
“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。”
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
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。
一、历史上的黑洞
200年前（拿破仑时代）