_相对论_宇宙与时空_连载_恒星演化的归宿_白矮星_中子星和(精)
宇宙的起源到最后的结局是怎么样的
宇宙的起源到最后的结局是怎么样的我们地球所存在的就是宇宙之内，但是宇宙是怎么起源的呢，最后的结局又会是什么。
下面是小编分享的宇宙的起源到最后的结局，一起来看看吧。
宇宙的起源到最后的结局宇宙的创生爆炸之初，物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。
宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降。
随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常的气体。
气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙。
暴涨模型允许宇宙的物质和能量从无中产生。
大统一理论认为，重子数允许不守恒，而宇宙中的引力能可粗略地说是负的，并精确地抵消非引力能，总能量为零，因此宇宙从无中演化是可能的。
“无”并非是绝对的虚无，真空能恰恰是一种特殊的物质和能量形式。
如果进一步说真空能起源于“无”，那么这个“无”也只能是一种未知的物质和能量形式。
从现代物理学的观点看，真空也可视为物质。
宇宙不论多么巨大，作为一个有限的物质体系，也有其产生、发展和灭亡的历史。
暴涨模型认为宇宙中的物质与能量形式不是永恒的，把“无”作为一种未知的物质和能量形式，在认识论和方法论上有一定意义。
现代宇宙学不是晦涩无用的哲学思辩，而是建立在天文观测、数学模型、物理实验基础上的现代科学，完全有能力认知宇宙的奥秘。
天文学家们指出，大爆炸必然会发生，原因是“虚空”本质上是不稳定的，可以从量子力学和广义相对论中推导出来。
在量子力学的尺度，空间将不稳定，不再显示平滑和连续，空间和时间失去稳定性，混杂形成时空的泡沫，微小的时空泡可以自发形成。
量子化的时空产生涨落，宇宙产生于“虚空”。
不断膨胀暗能量占据宇宙全部物质的74%，它是宇宙加速膨胀的推手。
宇宙的膨胀进程处于两种相克的力量平衡之中，如同阴阳相克。
其中的一种力量是引力，它们的作用使膨胀减速，而另一种强大的反制力量则是暗能量，它使宇宙加速膨胀。
而现在看来，暗能量胜出了。
恒星的演化从云气到白矮星
恒星的演化从云气到白矮星恒星是宇宙中最为璀璨的天体之一，它们在漫长的星际历史中扮演着极其重要的角色。
从星际云气到白矮星的转变，是恒星生命历程中的重要环节。
本文将深入探讨这一演化过程，展示每一步的物理机制、时间尺度和最终形成的天体特征。
1. 星际云气的形成恒星的诞生起源于星际介质，主要由氢、氦及一些重元素组成。
当这些气体和尘埃聚集到一起并达到一定的密度与温度时，就会形成恒星形成前的前身——分子云。
分子云是寒冷而致密的区域，通常是数百到数千个太阳质量的物质聚集在一起。
在引力作用下，分子云内部的不规则结构开始坍缩。
随着物质逐渐集中，中心部分的温度和压力逐渐升高，并形成原恒星。
这一过程可能持续数十万年甚至更长。
在这一阶段，云气中的氢原子因温度升高而开始碰撞并结合，在某种条件下可形成氦原子。
2. 原恒星阶段随着原恒星的形成，内核逐渐积聚更多物质，导致温度不断升高。
当温度达到约1000万开尔文时，氢核聚变开始发生，可以释放出巨大的能量。
这一过程称为核聚变反应，是恒星能量的主要来源，也标志着一个新恒星的真正诞生。
在这个阶段，恒星将不再处于静态平衡状态，而是以一定速率向外释放能量。
同时，外层继续吞噬周围物质，使得恒星逐渐增大。
在持续吸积和核聚变反应的作用下，原恒星会不断发光并变得更加热。
而整颗星体随着时间推移也会逐渐进入主序阶段。
3. 主序阶段主序阶段是恒星生命中最长的一部分，占据了恒星生命周期的大约90%。
在这个阶段内，恒星内部通过核聚变将氢转化为氦，而所释放出的能量使得恒星能够抵抗因自身重力所产生的坍缩。
这种平衡被称为”稳态”，使得恒星保持一定的大小和亮度。
主序体中，有不同质量和亮度的恒星，如太阳是一颗中等质量的从恒星。
不同质量的恒星拥有不同生命周期，其主序期也不尽相同。
一般来说，质量较大的恒星其主序期较短，约几百万年，而像太阳这样质量较小的恒星可维持近百亿年。
4. 核聚变走向死亡随着时间推移，核心中的氢燃料逐渐耗尽，终究会导致核聚变反应减弱。
恒星的演化从云气到白矮星
恒星的演化从云气到白矮星恒星是宇宙中最为常见的天体之一，它们以其巨大的质量和强大的能量释放而引起了人们的广泛关注。
然而，恒星并非一成不变的存在，它们经历着漫长而复杂的演化过程。
本文将从云气形成开始，逐步介绍恒星的演化过程，直至最终成为白矮星。
1. 云气的形成恒星的演化始于巨大的气体云团，这些云团主要由氢和少量的其他元素组成。
这些云团通常位于星际空间中，由于引力作用，云团逐渐收缩并形成更加密集的区域，这就是恒星形成的起点。
2. 恒星形成当云团收缩到足够高密度时，其中心区域开始产生高温和高压条件。
在这种条件下，氢原子核开始发生聚变反应，将氢转化为氦，并释放出巨大的能量。
这个过程被称为核聚变，是恒星内部能量产生的主要机制。
3. 主序星阶段一旦恒星形成，它将进入主序星阶段。
在这个阶段，恒星的核聚变反应持续进行，通过将氢转化为氦来释放能量。
这种平衡状态使恒星能够维持稳定的大小和亮度。
4. 演化到红巨星当恒星的核心耗尽了大部分氢燃料时，核聚变反应减弱，恒星开始演化到红巨星阶段。
在这个阶段，恒星的外层膨胀并变得更加稀薄，同时温度下降。
由于外层的膨胀，恒星的亮度会显著增加，使其成为宇宙中最亮的天体之一。
5. 恒星死亡红巨星阶段只是恒星演化过程中的一个暂时阶段。
当恒星的核心耗尽了所有可用的燃料时，它将发生剧烈的内部崩塌。
这个过程被称为超新星爆发，释放出巨大的能量和物质。
6. 白矮星形成在超新星爆发之后，恒星的外层物质将被抛射到宇宙中，而核心部分将留下。
如果恒星的质量不足以形成中子星或黑洞，那么它将演化成为白矮星。
白矮星是一种极为稠密的天体，其质量相当于太阳的1.4倍，但体积只有地球的几倍。
结论恒星的演化过程是宇宙中一场壮丽的舞台，从云气形成到白矮星的形成，经历了数十亿年的时间。
通过核聚变反应释放出的能量，恒星为宇宙提供了光和热，同时也为我们揭示了宇宙的奥秘。
对于人类来说，了解恒星的演化过程不仅可以增加我们对宇宙的认知，还有助于我们更好地理解地球和生命的起源。
宇宙探索与发现课后题答案
1.1（）较正确地反映了太阳系的实际，为以后开普勒总结出行星运动定律，伽利略、牛顿建立经典力学体系铺平了道路，从根本上动摇了“人类中心论”的神话。
A.托勒玫的地心说B.哥白尼的日心说C.银河的系发现D.广阔恒星世界的发现正确答案：B你选对了2科学家根据拍照发现，几乎所有宇宙星系的某种元素的光谱线，相对于地球实验室内同种元素的广谱线，都具有明显而普遍的（）现象，于是根据物理学的多普勒效应，科学家进一步得出了“目前宇宙正在膨胀”的结论。
A.减弱B.增强C.红移D.蓝移正确答案：C你选对了1.21718年，（）将自己的观测数据同1000多年前托勒玫（Claudius Ptolemaeus，约90-168）时代的天文观测结果相比较，发现有几颗恒星的位置已有了明显变化，首次指出所谓恒星不动的观念是错误的。
A.哈雷B.哈勃C.斯特鲁维D.勒维特正确答案：A你选对了218-19世纪中期，（）兄妹及父子，通过数遍天上星星等大量观测事实提出“银河是一个星系”的观点，第一次为人类确定了银河系的盘状旋臂结构，把人类的视野从太阳系伸展到10万光年之遥，树立了继哥白尼以后开拓宇宙视野的第二个里程碑。
A.伽利略B.哈雷C.威廉·赫歇尔D.哈勃正确答案：C你选对了1.3(2分)18-19世纪中期，（）兄妹及父子，通过数遍天上星星等大量观测事实提出“银河是一个星系”的观点，第一次为人类确定了银河系的盘状旋臂结构，把人类的视野从太阳系伸展到10万光年之遥，树立了继哥白尼以后开拓宇宙视野的第二个里程碑。
得分/总分A.威廉·赫歇尔2.00/2.00B.哈勃C.伽利略D.哈雷2单选(2分)科学家根据拍照发现，几乎所有宇宙星系的某种元素的光谱线，相对于地球实验室内同种元素的广谱线，都具有明显而普遍的（）现象，于是根据物理学的多普勒效应，科学家进一步得出了“目前宇宙正在膨胀”的结论。
得分/总分A.减弱B.增强C.蓝移D.红移2.00/2.003多选(2分)以托勒密模型为代表的日心说虽然较正确地反映了太阳系的实际，并为以后开普勒总结出行星运动定律，伽利略、牛顿建立经典力学体系铺平了道路，但是由于当时的科技水平和观测的局限，其陈述也有一些错误，即（）。
白矮星和中子星
白矮星白矮星(White Dwarf)是一种低光度、高密度、高温度的恒星。
因为它的颜色呈白色、体积比较矮小，因此被命名为白矮星。
白矮星是一种晚期的恒星。
根据现代恒星演化理论，白矮星是在红巨星的中心形成的。
白矮星是一种很特殊的天体，它的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。
比如天狼星伴星（它是最早被发现的白矮星），体积和地球相当，但质量却和太阳差不多，它的密度在1000万吨/立方米左右。
定义白矮星[1]：也称为简并矮星。
一种由电子之间不相容原理排斥力所支持的稳定恒星，是由电子简并物质构成的小恒星。
白矮星是中低质量的恒星的演化路线的终点。
在红巨星阶段的末期，恒星的中心会因为温度、压力不足或者核聚变达到铁阶段而停止产生能量（产生比铁还重的元素不能产生能量，而需要吸收能量）。
恒星外壳的重力会压缩恒星产生一个高密度的天体。
一个典型的稳定独立白矮星具有大约半个太阳质量，比地球略大。
这种密度仅次于中子星和夸克星。
如果白矮星的质量超过1.44倍太阳质量，那么原子核之间的电荷斥力不足以对抗重力，电子会被压入原子核而形成中子星。
大部分恒星的演化过程都包含白矮星阶段。
由于很多恒星会通过新星或者超新星爆发将外壳抛出，一些质量略大的恒星也可能最终演化成白矮星。
双星或者多星系统中，由于星际物质的交换，恒星的演化过程可能与单独的恒星不同，例如天狼星的伴星就是一颗年老的大约一个太阳质量的白矮星，但是天狼星是一颗大约 2.3个太阳质量的主序星。
中子星中子星，又名波霎（注：脉冲星都是中子星，但中子星不一定是脉冲星，我们必须要收到它的脉冲才算是。
）是恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。
简而言之，即质量没有达到可以形成黑洞的恒星在寿命终结时塌缩形成的一种介于恒星和黑洞的星体，其密度比地球上任何物质密度大相当多倍。
中子星的前身中子星的前身一般是一颗质量比太阳大8倍的恒星。
它在爆发坍缩过程中产生的巨大压力，使它的物质结构发生巨大的变化。
从爱因斯坦到霍金的宇宙答案完整版
爱因斯坦和量子论与相对论的诞生〔一〕已完成1浮力定律是阿基米德提出的。
正确答案：√我的答案：√2探究式的学习方式由西方传播而来。
正确答案：×我的答案：×3下列选项中属于伽利略的成就的是：〔〕A、重述惯性定律B、用科学的语言阐述了相对性原理C、自由落体定律D、以上都是正确答案： D 我的答案：D4提出杠杆原理的学者是：〔〕A、伽利略B、阿基米德C、亚里士多德D、牛顿正确答案： B 我的答案：B5最早用到物理学这个词的人物是：〔〕A、苏格拉底B、柏拉图C、亚里士多德D、孟德斯鸠正确答案： C 我的答案：C6最早使用物理学这个词的人是A、苏格拉底B、柏拉图C、亚里士多德D、阿基米德正确答案： C 我的答案：C7相对论是关于时空和引力的基本理论。
正确答案：√我的答案：√8爱因斯坦重要的科学发现和创新都是老年时期做的。
正确答案：×我的答案：×9静力学和流体静力学的奠基人是A、苏格拉底C、亚里士多德D、阿基米德正确答案： D 我的答案：D10“吾爱吾师，吾更爱真理”是谁说的A、苏格拉底B、柏拉图C、亚里士多德D、阿基米德正确答案： C 我的答案：C11希腊三哲不包括A、苏格拉底B、柏拉图C、亚里士多德D、阿基米德正确答案： D 我的答案：D12提出了浮力定律、杠杆原理、重心概念的人是谁：A、柏拉图B、阿基米德C、苏格拉底D、爱因斯坦正确答案： B 我的答案：B13提出惯性定律、相对性原理、自由落体定律的科学家是：A、阿基米德B、牛顿C、伽利略D、哥白尼正确答案： C 我的答案：C14阿基米德的国家被罗马围攻时，他设计的抛石机运用了〔〕。
A、伽利略定律B、牛顿定律C、浮力定律D、杠杆原理正确答案： D 我的答案：D15“格物穷理”是我国哪位理学家提出：A、沈括B、毕升C、朱熹正确答案： C 我的答案：C16苏格拉底、柏拉图和亚里士多德被称为“希腊三贤”。
正确答案：√我的答案：√因斯坦和量子论与相对论的诞生〔二〕已完成1惯性定律的最早提出者是古希腊的德谟克利特。
星际穿越中的天文学名词-概念解析以及定义
星际穿越中的天文学名词-概述说明以及解释1.引言1.1 概述引言部分是文章的开头，用来引出文章的主题和背景。
在这篇文章中，引言的主要目的是概述星际穿越中的天文学名词。
以下是一个可能的引言部分的内容：概述：星际穿越是人类探索宇宙奥秘的无比壮举，也是科幻作品中常常出现的题材。
在这些引人入胜的故事中，我们常常听到各种神秘的天文学名词，如黑洞、白矮星、超新星等等。
这些名词不仅仅是为了增添故事的张力，它们背后所蕴含的天文学原理和科学观念也是深具意义的。
本文将对星际穿越中常用的天文学名词进行较为系统的阐述和分析。
通过深入剖析这些名词的本质和特征，我们将能更好地理解当代天文学的发展以及人类对于宇宙的探索。
同时，我们还将讨论这些天文学名词对星际穿越的影响，以及未来可能的发展前景。
通过对于这些名词的深入研究和理解，我们将揭开星际穿越中的天文学奥秘，拓展我们对宇宙的认知。
希望本文可以为广大读者带来一种科学与奇幻交织的阅读体验，并激发对宇宙探索的兴趣和热情。
总结：本文将首先介绍星际穿越中涉及到的一些核心天文学名词，如黑洞、白矮星和超新星等。
接下来，将深入剖析这些天文学名词的定义、特征和形成机制。
同时，本文还将对这些名词在星际穿越中的具体应用进行探讨，以及它们对星际穿越的潜在影响和限制。
最后，我们将展望未来对于这些天文学名词的研究和应用，以及它们对于星际穿越技术的进一步推动和发展的可能性。
通过本文的阅读，读者将能够更加全面地了解星际穿越中的天文学名词，以及这些名词与现实宇宙之间的联系。
同时，我们也希望通过这篇文章的撰写，能够进一步激发读者们对于宇宙的无限好奇和探索的欲望。
让我们一起踏入星际穿越的未知领域，探索宇宙的奥秘吧！1.2文章结构2. 正文2.1 天文学名词1在星际穿越的情境下，涉及到的天文学名词可以说是令人眼花缭乱。
其中，天文学名词1是指与星际穿越密切相关的某个特定概念或现象。
这一部分将对天文学名词1进行深入的探讨与解释。
《恒星的一生》恒星遗珠-中子星
《恒星的一生》恒星遗珠-中子星《恒星的一生》恒星遗珠中子星在浩瀚无垠的宇宙中，恒星如同璀璨的明灯，照亮着黑暗的虚空。
它们经历着诞生、成长、衰老和死亡的过程，而在这一过程的末期，往往会留下一些令人惊叹的遗迹，其中之一便是神秘而独特的中子星。
恒星的诞生源自于巨大的星际分子云，这些分子云在引力的作用下逐渐坍缩，形成了一个密集的核心。
当核心的温度和压力足够高时，核聚变反应被点燃，恒星就此诞生。
在其漫长的一生中，恒星通过核聚变不断地将轻元素转化为重元素，释放出巨大的能量。
随着时间的推移，恒星内部的氢逐渐耗尽，核聚变的过程逐渐向更重的元素推进。
当恒星核心的燃料消耗殆尽时，它的命运取决于其初始质量。
对于质量较小的恒星，它们会在核心坍缩后形成白矮星；而质量较大的恒星，则会经历更为剧烈的爆炸，形成超新星。
在超新星爆发的过程中，恒星会释放出极其巨大的能量，其亮度甚至可以短暂地超过整个星系。
而在这一剧烈的爆炸之后，如果恒星的核心质量足够大，就会形成中子星。
中子星是一种极其致密的天体，它的密度大得惊人。
想象一下，一勺中子星物质的质量可能就有数亿吨之重。
这是因为在恒星核心坍缩的过程中，强大的引力将原子中的电子压入质子，形成了中子。
这些中子紧密地排列在一起，形成了一种几乎不可压缩的物质状态。
中子星的直径通常只有几十公里，但它们的质量却可以达到太阳质量的一到两倍。
由于其极高的密度和强大的引力场，中子星表面的重力加速度非常大。
如果一个人不幸落在中子星的表面，他将会被瞬间压成比原子还小的碎片。
中子星的自转速度也非常快。
这是由于在恒星坍缩的过程中，角动量守恒的原理导致其自转速度急剧增加。
有些中子星甚至可以每秒自转数百圈，它们就像宇宙中的高速旋转木马，发出强烈的电磁辐射。
这种电磁辐射在我们地球上被观测到时，就表现为脉冲星。
脉冲星的辐射信号就像灯塔的光束一样，有规律地扫过地球。
每当我们接收到这样的脉冲信号，就仿佛在倾听着宇宙深处传来的神秘心跳。
《从爱因斯坦到霍金的宇宙》尔雅练习答案
从爱因斯坦到霍金的宇宙章节测验答案第一章爱因斯坦和量子论与相对论的诞生1.1物理学的开端：经验物理时期1、“给我一个支点，我就可以耗动地球”这句话是谁说的？（B、阿基米德）2、相对论是关于（A、时空和引力）的基本理论，分为狭义相对论和广义相对论。
3、“吾爱吾师，吾更爱真理”这句话是谁说的？（C、亚里士多德）4、下列人物中最早使用“物理学”这个词的是谁？（D、亚里斯多德）5、“格物穷理”是由谁提出来的？（B、朱熹）6、欧洲奴隶社会比中国时间长，中国封建社会比西方时间长。
（√）7、西方在中世纪有很多创造。
（×）8、阿基米德是欧几里得的学生的学生。
（√）1.2 伽利略与经典物理的诞生1、哪位古希腊哲学家认为万物都是由原子构成的（D、德谟克利特）2、“地恒动而人不知，譬如闭舟而行，不觉舟之运也”体现了什么物理学原理？（A、相对性原理）3、以下不属于伽利略的成就的是（B、发现万有引力）4、惯性定律认为物体在不受任何外力的作用下，会保持下列哪种运动状态？（C、匀速直线）5、伽利略的逝世和牛顿的出生都是在1642 年。
（√）6、伽利略认为斜面上的运动是冲淡了的自由落体运动。
（√）7、伽利略是奥地利物理学家，近代实验科学的先驱者。
（×）8、《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》与《天体运行论》都是伽利略的著作（×）1.3 经典物理的三大支柱：经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学1、物理学家焦耳是哪个国家的人？（C、英国）2、以下哪一项属于经典物理的范畴（A、万有引力定律）3、谁完成了光的双缝干涉实验，认识到光是横波，并提出了颜色的三色定理？（D、托马斯·杨）4、“热力学第三定律”的发现者是谁？（B、能斯特）5、以下哪个人没有提出“热力学第二定律”？（C、迈尔）6、以下哪个人不是“热力学第一定律”的发现者？（D、能斯特）7、下面哪项不属于电磁学定律？（C、能斯特定理）8、牛顿的主要著作有《自然哲学的数学原理》和《光学》。
相对论读后感
相对论读后感大学毕业后，由于工作的关系，一直没有去看过相对论的相关书籍，直到最近，在网上由于偶然的原因，看到黑洞的报道，才又把深埋在心里十几年的对相对论的强大兴趣激发出来。
最近在网上，看到有网友在读爱因斯坦相对论的时候，因理解了爱因斯坦相对论中的某一方面的问题，就在那儿沾沾自喜，鼓吹如果自己能早些出世有幸与爱因斯坦联播研究相对论的话，相对论就能获得更快更好的发展。
其实这位老兄根本都不用沾沾自喜，我想的话，这位老兄看的肯定是《相对论浅说》这一书，如果看爱因斯坦的原作，那真的是叫一个难懂，那里面有的是公式的推导，这里面涉及数学中的多门分支，首先是线性代数，然后是几何学、复变函数、高等数学、拓扑、图形论等等。
不仅要有丰富的物理知识，还涉及到广泛的化学知识。
就一个黎曼方程就可以让一个人穷其一生去研究。
当然相对论也并非深奥到完全不能理解。
随着人们对观念的逐渐改变，相对论中的很多东西也并不是常人不能理解的。
举个例子，相对论中的时空概念。
按照我们的习惯思维，空间中任何一点，我们都可以用三维坐标来确定，意思就是说，任意一点，我们都可以选定一个三维坐标，来确定其在空间的位置。
这种坐标系，在相对论中被称为惯性坐标系，也被称为静态坐标系。
实际上，宇宙中的任何物质以及宇宙空间都处于不停地运动之中，因此，我们习惯中所理解的三维空间在实际上是不存在的，是一种理想化的空间。
如果说，我们习惯中的三维空间是一种静态空间，那么相对论中的空间，我们就可以理解为动态空间。
即空间中某一点的坐标，不仅与三维坐标x、y、z有关，还与我们在确定这一点坐标时的时间有关，即我们在确定该点坐标时，是处于运动中的哪一时刻。
下面就相对论中一些敏感的问题提出本人的见解和看法，以便与大家一起分享和共同探讨。
关于光速不变的假设。
什么是光速不变?意思就是说，光相对于任何一个物体，它的传播速度都是一个常量，即为c。
为了能够让大家更好地理解，我们先来举一个例子，在地球表面上，有两个物体A和B，物体A相对地面以U的速度在运动，物体B相对地面以V的速度在运动，那么物体B相对于物体A的运动速度应该为(V-U)。
白矮星中子星黑洞密度
白矮星中子星黑洞密度
白矮星、中子星和黑洞是宇宙中的三种极端物体，它们的密度也是极高的。
其中，白矮星的密度约为1万克/立方厘米，中子星的密度则高达10亿克/立方厘米，而黑洞的密度更是无限大。
白矮星是一种由质量较小的恒星演化而来的物体，其内部主要由电子和离子组成。
由于内部压力过大，白矮星会发生热核爆炸，不断释放能量，最终会变成一个冷却的球体。
由于其质量较小，白矮星的密度并不高。
中子星则是由质量更大的恒星演化而来的物体，它的内部主要由中子组成。
由于中子之间的强相互作用，中子星的密度非常高。
事实上，中子星的密度甚至可以达到原子核的密度，也就是10亿克/立方厘米。
黑洞是宇宙中最神秘的物体之一，它的密度更是无限大。
黑洞的形成是由于某个质量极大的物体塌缩到了一定程度，形成了无法逃逸的引力场。
在黑洞的中心，所有物质都会被压缩到无限小的点上，称为奇点。
由于奇点的存在，黑洞的密度是无限大的。
总之，白矮星、中子星和黑洞的密度都非常高，其中黑洞的密度更是达到了无限大的程度。
这些极端物体对我们了解宇宙的本质和演化有着重要意义。
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广义相对论论文（ＰＤＦ）
Schwarzschild 解与致密星摘要：本文推导了TOV 方程，求解出Schwarzschild 内部解及外部解，并介绍了致密星（白矮星和中子星）的存在，同时利用相对论讨论了白矮星和中子星的物理状态和结构性质。
为了简化工作，我们大量借助Mathematica 来辅助运算。
关键词：爱因斯坦引力方程Schwarzschild 内部解TOV 方程白矮星中子星1引言20世纪30年代从理论上预言存在中子星和黑洞，但一直没有观测到这些天体。
然而在60年代发现类星体、脉冲星、双星X 射线源等奇异天体后，相对论天体便发展起来。
恒星演化理论预言恒星演化到晚期应存在三类天体，即白矮星、中子星和黑洞。
一颗晚期演化的恒星变为哪类天体取决于它的质量。
质量为M 星而核燃料耗尽的恒星，由于引力收缩将释放能量，从而温度升高。
对于M 太阳<M <8M 太阳的晚期恒星将最后演化为白矮星，白矮星靠简并电子气的压力与引力平衡，从而维持星体的存在；对于8M 太阳<M <30M 太阳的晚期恒星将最后演化为中子星，中子星靠简并中子气与引力平衡而维持星体的存在；当一个晚期演化的恒星质量大于中子星质量上限时，便不能存在稳定的结构，这种星体无止境地塌缩下去，最后成为黑洞。
2理想流体的Schwarzschild 解2.1Tolman-Oppenheimer-Volkoff 方程的推导考虑爱因斯坦引力方程G T ννμμκ=-（1）在静态球对称星体内部的解。
由静态球对称度规的最普遍形式2222222()(sin )()ds a r dr r d d b r dt θθϕ=--++（2）可得度规张量分别为()rr g a r =-2g r θθ=-22sin g r ϕϕθ=-()tt g b r =0,g μνμν=≠对于（3）设星体物质为理想流体，则有2()P T U U Pg c νννμμμρ=++（4）其中P 是固有压强，ρ是固有总能密度，U μ是速度四矢，定义为1g U U μνμν=（5）因为流体是静止的，故可取0r U U U θϕ===1/2()tt t U g -==（6）由静态和球对称假设可知，P 和ρ仅仅是径向半径r 的函数。
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第28卷第6期大 学 物 理Vol .28No .62009年6月COLLEGE PHYSI CS June 2009《相对论、宇宙与时空》连载 《相对论、宇宙与时空》连载⑥———恒星演化的归宿(白矮星、中子星和黑洞)赵 峥(北京师范大学物理系,北京 100875)1 赫罗图指向天空的望远镜发现,千亿计的恒星各式各样,它们不仅光度不同,颜色也各异,真是千姿百态、绚丽多彩.这里的光度,是指恒星的绝对光度.绝对光度反映,在扣除掉恒星距离我们远近不同产生的影响之后,恒星的真实亮度,即反映了恒星在单位时间内释放出的光能.从绝对光度可以估算出恒星的体积.恒星的颜色,则反映它们具有不同的表面温度.丹麦天文学家赫兹普隆(E .Hertzs p rung )和美国天文学家罗素(H.Russell )各自独立给出了一张表示恒星光度和表面温度的关系图,称为赫罗图(图1).注意,赫罗图反映的不是恒星在天空中的位置分布,而是它们的光度和温度之间的关系.由于温度是由光的颜色反映出来的,他们给每一个温度范围定义了一个光谱型,从高温的蓝星到低温的红星,依次分为O 、B 、A 、F 、G 、K 和M 共7个光谱型.我们的太阳属于黄色的G 型,表面温度约6000K[1—5].图1 赫罗图光谱型的名字很难记,有人编了一个小故事:一个年轻的天文学家初次用天文望远镜看星空,那五颜六色的天体让他大为惊讶,不禁大喊道:“Oh,be afine girl,kiss me !”(哦,真像一位仙女,吻我吧!).这句话的每个单词的第一个字母,代表一种光谱型.绝大多数恒星都聚集在赫罗图内从左上方到右下方的一条带中,这条带称为主星序.带的左上部是高温的蓝色巨星,右下部是低温的红色小星(红矮星).我们的太阳位于主星序的中部,是黄色的恒星,少数恒星处于主星序之外.主星序的右上方有低温而巨大的红巨星,左下方有小而高温的白矮星,它们属于恒星演化的不同阶段.星际物质在万有引力作用下塌缩变热,点燃热核反应,成为主序星,在这里度过它们99%的寿命.当恒星内部的氢合成氦的反应结束时,恒星离开主星序,膨胀成红巨星.然后再演变成白矮星.下面,我们将详细地介绍这一演化过程.2 恒星的演化不同大小和颜色的恒星,实际上处于恒星演化的不同阶段[1—5].宇宙诞生的初期,到处均匀分布着主要由氢和氦组成的气体,在万有引力的作用下气体聚集成团,形成星体.聚集过程中它们的引力势能转化为热能,使原本很冷(温度约100K )的物质温度升高,如果聚集成星体的气体物质很多,多到相当于太阳质量(1.99×1033g )或大于太阳质量,引力势能转化成的大量热能可使星体内部温度升高到107K ,从而点燃星体中氢的聚变反应.这时,一颗发光发热的恒星就诞生了.恒星中氢聚变生成氦的热核反应,可以维持几十到几百亿年,这时,恒星处在一个长期稳定的阶段,这个时期约占恒星寿命的99%.这样的恒星在赫罗图中位于从左上方到右下方的主星序,称为主序星.恒星在主星序上的位置由它的质量决定.主星序左上方的星质量较大,最大可到100M ⊙(M ⊙为太阳质量).右下方的星质量较小,最小不低于0.1M ⊙.小于0.1M ⊙的星体,点燃不了氢的聚变反应.处于主序星阶段的恒星,在主星序上的位置基本不移58 大 学 物 理 第28卷动,直至氢的聚变反应结束,恒星离开主星序为止.我们的太阳就是这样一颗主序星,它的中心温度高达115×107K ,压强达到3000亿个大气压,那里正进行着猛烈的热核反应.太阳在主序星阶段的寿命约为100亿年,现在已经在主序星阶段燃烧了50亿年,目前正处在它的中年时期.恒星的存在,一方面依赖于万有引力把物质聚集在一起,不致于漫天飞扬,另一方面则靠热核反应产生的热量,造成粒子迅速运动,产生排斥效应,使物质不致于收缩到一点.正是万有引力的吸引作用与热排斥作用这对矛盾的存在,保证了恒星的生存.当恒星中心部分的氢全部燃烧掉之后,恒星中部的热核反应就停止了,这时万有引力战胜了热排斥,星体开始收缩.由于恒星表面的温度远低于中心部分(例如太阳中心部分温度为115×107K ,而表面温度只有6000K ),那里还不曾发生过氢合成氦的热核反应.这时,随着星体的塌缩,恒星外层的温度开始升高,那里的氢开始燃烧,这就导致恒星外壳的膨胀.外壳的膨胀和中心部分的收缩同时进行,中心部分在收缩中温度升高到108K ,开始点燃一种新的热核反应,氦聚合成碳,再合成氧,这些热核反应短暂而猛烈,像爆炸一样,称为“氦闪”.这种过程大约经历100万年,在整个天体演化中,这是一个很短的“瞬间”.此后几亿年中,恒星进入一个短暂的平稳期.当中心部分的氦逐渐燃烧完之后,外层氢的燃烧不断向更外部扩展,星体膨胀得越来越大,膨胀到原来的10亿倍.由于外壳离高温的中心越来越远,恒星表面的温度逐渐降低,从黄色变成红色.由于体积巨大,这种红色巨星看来很明亮.著名的参宿四(猎户座α,星座中最亮的星编号为α,其余依次为β,γ,…)、毕宿五(金牛座图2 红巨星心宿二与太阳系大小的比较α)、大角(牧夫座α)和心宿二(天蝎座α)都是这样的红巨星(图2).主序星演化成红巨星的过程,就是它在赫罗图中的位置离开主星序的过程.红巨星位于赫罗图中主星序的右上方.50亿年后,我们的太阳也将由主序星演化成这样的红巨星,膨胀的太阳将逐步燃烧吞食掉水星、金星和地球.地球的轨道将被包在红巨星之内,海洋将全部沸腾蒸干,地球的残骸将继续在红巨星内部公转,红巨星外层气体灼热而稀薄,比我们实验室中所能得到的最好的真空还要空,所以地球仍能存在,并继续转动.当然,生命已不可能在地球上生存.不过,50亿年后的人类,已经有极为发达的文明.回想一下,从自然科学诞生的哥白尼时代到现在,才经过了500年,人类已经能够登月,50亿年后的人类将具有怎样的科技水平就不难想象了.那时的人类,肯定有能力迁移到其他星球去生存.银河系内有1000亿～2000亿个太阳,构成数百万个太阳系(既有一个太阳的太阳系,也有两个太阳的双星太阳系,三个以上太阳的聚星太阳系),每个太阳系都有自己的行星,其中肯定有自然条件与地球相似的行星.从现在的研究成果来看,那些只有一个太阳的太阳系,其行星的温度比较稳定,可能更有利于生物的生存.总之,银河系中肯定有大量适合人类生存的星球,未来的人类一定会有能力,迁移到新的星球上去生存.如果舍不得我们的故乡地球,也有可能把地球一起迁移到其他合适的太阳系去.例如可以设想在地球上造个巨大的喷嘴,像驾驶火箭一样驾驶地球,留下几个驾驶小组的人值班,其余的人则可用先进的冷冻技术冬眠,到达目的地后再从冬眠状态下复苏过来.核能源进一步枯竭之后,红巨星将抛出一些气体,形成“行星状星云”.一般来说,恒星在望远镜中看是一个点,而行星离地球近,在望远镜中呈现为一个圆面.所谓“行星状星云”,实际上是恒星周围的云状物质,在地球上用望远镜看,像行星一样是一个小圆面,其实与行星毫无关系.这个阶段,红巨星的中心部分将塌缩,形成小而高密、高温的白矮星.白矮星温度高,呈白色;体积小,因而亮度小.它位于赫罗图主星序的左下方.随着热核反应的逐渐停止,白矮星将逐渐冷却成为黑矮星,黑矮星由碳和氧两种元素构成,是一种比钻石还要硬的星体.白矮星冷却成黑矮星的过程十分缓慢,可能需要100亿年左右(图3).图3 恒星的演化第6期 赵 峥:《相对论、宇宙与时空》连载⑥59 白矮星的主要化学成分是高密度的碳和氧.那么宇宙中硅、镁、硫、铁等元素来自何方呢?它们来自超大质量恒星的演化.如果一颗恒星,在中心部分氢-氦热核反应终止,开始从主序星向红巨星演变时,还保有8M ⊙以上的质量,那么,它们会发生更深层次的热核反应.这种超大质量恒星的内部,在塌缩时巨大的引力势能可把那里的温度加热到6×108K 以上,使碳发生聚合反应生成氖和镁,这时温度进一步升到109K ,氖与氦又合成镁.此反应导致温度再升到115×109K 以上,氧开始燃烧合成硫、硅等元素.然后,温度进一步升到3×109K 以上,硅开始燃烧,并引发成百上千种核反应,最终生成铁.这些重元素合成的时间很短,例如对于25M ⊙质量的恒星,碳可燃烧600年,氖燃烧1年,氧燃烧6个月,而硅只燃烧1天就烧光了.这时恒星的最中心部分由新生成的铁组成,往外依次是硅硫、氧镁、氖氧、碳氧、氦氮等组成的层.上述部分构成恒星的内核.而恒星的外壳则在氢-氦反应中不断膨胀,最终生成比一般红巨星还要大10倍的超红巨星.这种星与红巨星一样,位于赫罗图主星序的右上方.如果放在太阳的位置,那么连冥王星轨道都将被其吞没.恒星内核逐渐降温,在巨大的万有引力下继续塌缩,最终形成位于赫罗图左下方的中子星.在中子星生成过程中,猛烈的大爆炸把部分重元素抛向太空,成为星际物质.这些星际物质在适当的情况下可以形成新的恒星、行星,或被其他恒星俘获,聚集成行星.这就是行星中重元素的来源.图4 主序星、红巨星、白矮星、中子星与黑洞大小的比较白矮星与中子星是高质量密度的恒星.在赫罗图中,它们是恒星演化的归宿.主序星中心部分的核燃料氢耗尽之后,先膨胀成红巨星,再塌缩成白矮星.质量超过8M ⊙的主序星,则先膨胀成超红巨星,再塌缩成中子星或黑洞,并在塌缩过程中引起超新星爆发(图3、图4).3 白矮星人类确认的第一颗白矮星是天狼星的伴星(天狼B 星)[1—4].天狼星的希腊名字为大犬座α星.“天狼”是中国人起的名字.它是除太阳外,肉眼看来最亮的一颗恒星.天狼星之所以看起来很亮,是因为它离我们比较近的缘故.冬天的黄昏之后,它出现在东南方的天空.天狼星的左下方,有中国古人称为“弧矢”的一组星.在中国古代,天狼星代表侵略.古人用弧矢射天狼来表示抗击侵略(图5).图5 弧矢射天狼屈原曾在诗中写道:“举长矢兮射天狼,操余弧兮反沦降.”宋朝诗人苏东坡也在一首词中写道:“会挽雕弓如满月,西北望,射天狼”.但是天狼星从来不出现在天空的西北方向.苏东坡这样写,一方面是因为天狼星在弧矢的西北方向,另一方面是因为北宋时,侵略力量主要来自西北方的西夏.恒星,顾名思义在天空中是不动的.也就是说,在地球上的人看来,恒星之间的相对位量是不变的,这是由于它们离我们太远的缘故.太阳是离我们最近的恒星,光走8m in 可以到达地球.其他恒星就远多了,离太阳最近的比邻星(属于中国人所说的“南门二”,希腊名字叫半人马座α,这是一组由3颗恒星组成的“三合星”,3个“太阳”围绕它们的共同重心旋转.A 、B 两星相互距离较近,C 星即比邻星,离我们最近.)光到达地球要走4年多.也就是说,它们距离我们4个多l .y .(l .y .为光年,光走1年的距离).牛郎星距离我们16l .y .,织女星则有27l .y .,它们二者相距也差不多16l .y .因为恒星离我们非常遥远,它们之间也相距十分遥远,所以肉眼一般很难看出恒星之间相对位置的变化.只有离地球最近的一些恒星,我们才60 大 学 物 理 第28卷能察觉这种变化[3,6].1834年,人们发现距我们约9l .y .的天狼星在天空的位置有周期性变化,推测它可能有一颗质量不小的伴星.天狼星位置的周期性变化,正是天狼与其伴星绕着它们的共同重心旋转的表现(图6).28年后,发现了这颗伴星,质量与太阳差不多,但体积只有地球那么大.由于体积太小,虽然表面温度高达2×104K ,发出很强的白光,仍很难发现它.因为它又白又小,所以称其为白矮星.当时最让人惊讶的是它的密度,约为2.5t /c m 3,这是地球上的任何物质都远远比不上的.图6 天狼星与其伴星研究表明,白矮星不是一颗普通物质形态的星.它既不像一般恒星那样,靠热效应产生的排斥来对抗自身的万有引力,也不像行星、卫星那样靠晶格间(或分子间、原子间)的电磁力来抗衡万有引力,而是靠泡利不相容原理产生的电子简并压强来抵抗引力[1—4,7,8].红巨星的内部物质在氢聚合成氦的热核能耗尽时塌缩,此塌缩过程迅速而猛烈,相当于恒星寿命的一瞬间(约100万年),称为“氦闪”.在氦闪过程中,氦聚变生成碳和氧,这时原子间的电磁力顶不住自身万有引力的猛烈挤压,原子的电子壳层被压碎,形成电子在晶格中自由穿行,或者说原子核构成的晶格框架漂浮在电子海洋中的状态.在这种电子海洋(或电子气)中,电子的状态由能量、动量和自旋决定.由于量子化,能级、动量值和自旋值都是离散的,都只有有限个.当物质压紧时,由于体积缩小,上述量子态将被电子挤满.泡利不相容原理不允许两个电子处在同一个状态,正如一个萝卜一个坑,同一个坑里不允许有两个萝卜存在一样.如果硬要在同一个坑里放两个萝卜,它们就会互相排挤.同样,相互靠近的电子将产生一种新的排斥力(这种新的“泡利斥力”不是同种电荷产生的那种斥力,只有满足泡利不相容原理的费米子之间才存在这种力,也称费米压强),阻止体积进一步缩小.这种力顶住了万有引力,使得星体不再塌缩,这就是白矮星状态.太阳的半径为7×105km ,太阳质量的白矮星半径只有104km .研究表明,宇宙间存在大量白矮星,大约占恒星总数的1/10.这就是说,在银河系的1000亿颗恒星中,有大约100亿颗是白矮星.它们的密度一般在0.1～100t /c m 3之间.白矮星像一块炽热的金刚石(主要成分是碳和氧),内部温度可高达108K .随着内部核反应的逐渐停止,白矮星会慢慢冷却,最终形成一块不发光的、比钻石还硬的晶体———黑矮星.黑矮星就像一块巨大的金刚石一样,在宇宙空间游荡.不过,我们至今还没有发现一颗黑矮星,这是因为从白矮星演化成黑矮星大约需要100亿年,与宇宙的年龄差不多.可以说,在宇宙间,至今还没有生成一颗黑矮星.最早认识到白矮星质量密度极高、白矮星在银河系中数量很多的人,是英国天体物理学家爱丁顿.最早认识到电子之间的泡利斥力可以抗拒恒星引力塌缩的人是英国物理学家狄拉克.而第一个建立起白矮星结构理论的人,则是印度青年物理学家钱德拉塞卡.1930年,在一艘从印度开往英国的轮船上,一位20岁的印度青年一会儿冥思苦想,一会儿埋头计算.他就是钱德拉塞卡,大学毕业后打算去投奔著名的爱丁顿教授,攻读天体物理.此时他正在钻研白矮星的结构.他把相对论、量子论与统计物理结合到一起考虑,认为泡利不相容原理所产生的电子之间的排斥力有一个限度.这种排斥力可以抵挡住质量小于1.4M ⊙的恒星的重力,但抵挡不住质量更大的恒星的重力.也就是说,质量小于1.4M ⊙的恒星在冷却的时候,有可能靠这种力抵挡住自身的万有引力,不再进一步塌缩,而形成原子核构成的晶格框架在电子海洋中漂浮的状态.白矮星上的物质就处于这种状态.但是,如果恒星质量大于1.4M ⊙,万有引力将迫使电子更加靠近,这时电子间泡利斥力会增大,但电子速度也会增大,当电子速度接近光速时,会形成“相对论性电子气”,这时泡利斥力会突然减弱.这种力将抗不住恒星的自身引力,恒星将进一步塌缩下去.他认为,1.4M ⊙是一个界限.不存在大于这个质量的白矮星.当轮船靠岸时,他已经得出了重要的结果.钱德拉塞卡非常兴奋,准备把自己的研究结果作为见面礼,送给爱丁顿教授.钱德拉塞卡满心以为爱丁顿教第6期 赵 峥:《相对论、宇宙与时空》连载⑥61授会夸奖他.然而,爱丁顿听完他的讲述后非常冷淡,认为他的结论不对.钱德拉塞卡是个忠厚而彬彬有礼的青年,他没有与教授争吵,而是进一步推敲自己的工作.以后钱德拉塞卡曾多次向爱丁顿陈述自己的观点,均被爱丁顿否定.有一天,爱丁顿告诉24岁的钱德拉塞卡,为他争取到一个在重要学术会议上报告其工作的机会,而且运用自己的影响为钱德拉塞卡争得比别人更长的报告时间.使他能够更充分地阐述自己的观点.在开会之前,他又告诉钱德拉塞卡,他也要在这个会议上作报告,而且题目与钱德拉塞卡相同,都是关于星体塌缩与白矮星形成的.钱德拉塞卡立刻担心起来,怕爱丁顿抢夺他的研究成果.然而,结果却与他预料的完全相反.当钱德拉塞卡报告完自己的工作的时候,爱丁顿当面撕掉钱德拉塞卡的论文,说他是一派胡言.爱丁顿的理由很简单:如果泡利斥力抗不住星体自身重力,星体将无限坍缩,形成密度为无穷大的一个点.他认为这是自然规律决不允许出现的非物理状态.爱丁顿的观点得到爱因斯坦的赞同,因此他底气很足,态度强硬.钱德拉塞卡当众出丑,由于爱丁顿的崇高学术威望,大家都认为他在学术上闹了大笑话.然而泡利肯定了钱德拉塞卡的工作.当钱德拉塞卡向泡利征求意见,并告诉泡利,爱丁顿教授认为他的这一工作违反泡利不相容原理的时候,泡利笑了起来,说:你的这件工作也许违背了爱丁顿不相容原理,但没有违背我的不相容原理.钱德拉塞卡的理论终于得到了公认,他所指出的白矮星的质量上限,被称为钱德拉塞卡极限[1—4,7,8]:钱德拉塞卡极限=1.4M⊙(1)目前,钱德拉塞卡极限是任何天文工作者都知道的一个极限.1983年,73岁的钱德拉塞卡,由于研究白矮星和其他方面的杰出贡献获得了诺贝尔物理学奖.钱德拉塞卡24岁做出重大成就,73岁才获奖.人们开玩笑说,要想得到诺贝尔奖金,不仅要作出杰出的贡献,还要活得足够长久,要活到评上奖的那一天.诺贝尔奖是不发给已死去的人的.4 脉冲星和超新星爆发质量超过钱德拉塞卡极限的星体,电子将被压入原子核中,与其中的质子合併成中子,成为中子星[1—4,7—9].中子星与白矮星有些类似,它不是靠热排斥或电磁作用来抗衡引力,而是靠中子间的简并压强(泡利斥力)来抗衡.早在发现中子的1932年,就有人预言了中子星的存在,然而发现中子星则是30多年之后的事.1967年的夏天,剑桥大学的休伊什(A.He wish)教授用自己设计的仪器进行巡天观测,搜寻来自宇宙间的电磁波.他的主要助手是女研究生贝尔(J. Bell).一天晚上,贝尔发现一个奇怪的电波源,其发射的短脉冲是严格周期性的.贝尔立刻打电话告诉了自己的老师.休伊什来到观测室与贝尔仔细探讨,然后嘱咐贝尔严格保密不要外传.经过半年的反复验证、推敲,他们终于在1968年2月于英国的《自然》杂志(Nature)上公布了这一惊人的发现.然而只公布了观测结果,而没有公布脉冲源在天空的方位.他们最初以为这是外星人发来的联络信号,因而取了个代号叫“小绿人”.不久他们又发现了另外几个发射类似电磁波的“小绿人”.休伊什依然只公布观测结果,不公布脉冲源的位置.他们的发现在国际上引起了轰动,同行们纷纷来电、来信询问脉冲源的位置,急于参加进来共同研究.但休伊什迟迟不予公布.最后在同行们的愤怒压力下,休伊什终于公布了几个脉冲源的位置.不久人们就认识到,这些脉冲根本不负载任何信息,因而不可能是什么外星人的联络信号,而是一种未知星体发射来的电磁波.人们把这种星叫做脉冲星.进一步的研究表明,脉冲星就是中子星.休伊什与贝尔共同发现脉冲星,对天体物理学做出了重大贡献.1974年,诺贝尔奖评委会抛开贝尔,单独把诺贝尔物理学奖授予了休伊什.对此事,国际天文界议论纷纷,许多人为贝尔鸣不平.霍金就在自己的《时间简史》(插图本)中称贝尔首先发现了脉冲星,并且只刊登了贝尔一个人的相片(图7).图7 中子星的发现者———休伊什、贝尔与他们使用的天线阵1968年秋,在蟹状星云和船帆座中几乎同时发现了脉冲星[9].这两颗脉冲星都位于以前出现过超新星的位置上.这是一个重要发现,它表明脉冲星62 大 学 物 理 第28卷(中子星)是由超新星爆发而形成的.超新星是恒星演化晚期发生的一种大爆炸现象,爆炸规模相当于几百亿亿亿颗百万吨级的氢弹!一天里放出的能量相当于太阳在数十万年间放出的总能量.这时,星的亮度会增加上亿倍,使人们觉得天空中突然出现了一颗亮星(图8).但存在时间不会太长,肉眼所见一般不过几年,最亮的时间不过几天到几十天.图8 超新星爆发图9 中国古代的超新星记录我国的史书记载,公元1054年在金牛座出现过超新星,日本、朝鲜、越南的史书也有这次超新星爆发的记录,但以我国的记录最为详细(图9).而且只有我国记录了这颗超新星在天空的位置,这对后来认识超新星与蟹状星云、中子星的关系至关重要[9].我国古代称超新星为客星.记录说,宋仁宗“至和元年五月,客星晨出东方,守天关.昼见如太白,芒角四出,色赤白,凡见二十三日”.有二十三天能在白天看见,像金星一样明亮.此后白天看不见了,但有二年多时间,夜晚仍然能看见.可见,这次超新星爆发之猛烈,发生地点离我们太阳系之近.特别令人感兴趣的是,望远镜出现之后,在我国古代天文学家记录的客星位置上,人们观察到一个螃蟹状的星云,星云由气体和尘埃组成,它在不断地膨胀,其膨胀速度达每秒1100多公里.从观测到的膨胀速度,可以计算出此星云是在公元1054年左右由小星开始膨胀的.也就是说,蟹状星云正是1054年超新星爆发喷出的物质,星云中心的那颗小暗星,应该是当年超新星爆发后剩下的残余星体(图10、图11).1968年秋,人们发现蟹状星云中的这颗小星也是一颗脉冲星.于是人们认识到,脉冲星(中子星)是由超新星爆发而形成的.图10 蟹状星云图11 蟹状星云在星空的位置我国古代的天文记录十分丰富.《后汉书・天文志》中还记载,公元185年,“南门”中有客星出现.近代天文观测发现,在那个位置上也有一颗小暗星.南京大学天文系的陆琰教授预言此星是γ射线脉冲星,后来被观测所证实.一般脉冲星只发射无线电波,不发射γ射线.发射γ射线的脉冲星十分稀少,至今只发现了7颗.中子星具体怎样形成呢?如前所述,超过8M ⊙的主序量在演变成超红巨星之后,中心部分核反应温度可升高到3×109K ,生成以铁为中心的核,外层则仍在进行氢转化为氦的热核反应.。
恒星的演变
恒星的演化社会工作11-1班 09号高丹内容摘要：恒星演化就是一颗恒星诞生后，在引力、压力和核反应的作用下，恒星结构随时间而变化，直至能量耗尽，变为简并星或黑洞的过程。
恒星演化是是十分缓慢的过程，我们根据对各种各样的恒星的观测和理论研究，弄清楚了恒星的一生是怎样从孕育到诞生，再从成长到成熟，最后到衰老、死亡的整个过程。
本文对恒星由星云中诞生、经过主序星红巨星阶段、逐渐步入晚期，到最后演化成白矮星、中子星、黑洞的整个过程进行了一个概述。
Abstract: stellar evolution after the birth of a star, gravity, pressure, and the role of the nuclear reaction, the stellar structure over time change until the energy is exhausted into the process of degenerate star or black hole. Stellar evolution is very slow process, based on observational and theoretical studies of a variety of stars, clear how the star's life is from conception to birth, and then grow to maturity, and finally to the aging and death throughout the process. Of stars born from the nebula gradually into the late main sequence star red giant phase, and finally evolved into white dwarfs, neutron stars, the whole process of the black hole, an overview.关键字：恒星演化、星云、原恒星、主序星、红巨星、爆炸、超新星、中子星、白矮星、黑洞Keywords: evolution of stars, nebula, protostar, main sequence stars, red giants, explosion, supernovae, neutron stars, white dwarfs, black holes一、恒星的诞生恒星最初诞生于太空中的星际尘埃，科学家形象地称之为“星云”或者“星际云”，其主要成分由氢组成，密度极小，但体积和质量巨大。
白矮星与中子星的质量和半径的关联研究
白矮星与中子星的质量和半径的关联研究导语：宇宙中有着许多神秘的天体，其中白矮星和中子星是相对较为常见的两种。
这两种天体既有相似之处，也有明显的差别。
科学家们长期以来一直在努力探究白矮星和中子星的质量和半径之间的关联，以揭示它们背后隐藏的奥秘。
一、白矮星白矮星是一种已经耗尽核燃料，失去了能量来源的恒星残骸。
它是以太阳系内的恒星演化完全而形成的，也是恒星进化的最终阶段之一。
白矮星的质量一般较小，通常在太阳质量的8倍左右。
科学家们发现，白矮星的质量与其半径有着密切的关联。
根据经典的理论模型，质量较小的白矮星直径一般较大，而质量较大的白矮星直径则比较小。
这是因为质量较小的白矮星的引力较弱，容易扩张，而质量较大的白矮星由于引力作用更强，因此更容易被挤压为较小的体积。
二、中子星中子星是一种质量非常庞大、体积极小但极为致密的天体。
它是恒星在爆炸后形成的，是一种类似巨大原子核的天体。
中子星的质量通常远大于太阳质量，平均质量约为一个到两个太阳质量。
与白矮星不同，中子星的质量与半径之间并没有明确的关联模型。
一方面，中子星的质量过于巨大，其引力超过了核力的限制，使得其内部形成了一种特殊的物质状态，即超密核物质。
另一方面，科学家们对于超密核物质的性质了解不够充分，使得无法准确预测中子星的半径。
科学家们采用了多种方法来研究中子星的质量和半径的关联。
例如，通过观测中子星的引力对附近物体的影响，可以间接推断出其质量；而通过中子星的自转速度和脉冲信号，可以推测出其半径。
但这种推测的结果往往存在一定的不确定性。
三、质量与半径关联的进一步探究为了进一步探究白矮星和中子星的质量与半径之间的关联，科学家们利用先进的观测设备和模拟计算方法进行研究。
最近，有一项研究通过对一类双星系统的观测得出了一个有趣的结论。
该双星系统由一颗白矮星和一个母星组成，通过观测密切伴星的运动以及引力波的释放，科学家们发现了一个普遍规律：白矮星的质量和半径呈正相关关系。
相对论效应对中子星结构影响
相对论效应对中子星结构影响相对论效应对中子星结构的影响中子星是一种极为稠密的天体，它的结构和性质受到相对论效应的显著影响。
在本文中，我们将探讨相对论效应对中子星结构的影响，并且从理论和观测的角度来说明这一影响。
一、引言中子星是宇宙中最为致密的天体之一，其质量相当于太阳的数倍，而体积只有太阳的几千分之一。
中子星的致密程度使得其结构与一般的恒星有着明显的不同，而相对论效应在其中发挥着重要的作用。
二、相对论效应在中子星结构中的重要性1. 引力场增强相对论理论指出，在高质量和致密度环境下，引力场会变得极其强大。
由于中子星的质量和体积比普通恒星大得多，其引力场会远远超过一般情况下的引力。
相对论效应导致中子星内部的引力场增强，这对中子星内部物质的压缩和排列方式产生了深刻的影响。
2. 质量-半径关系的限制相对论效应还限制了中子星的质量-半径关系。
根据一般理论，中子星的质量和半径应该具有一定的关系。
然而，相对论效应使得中子星的质量无法无限增加，否则将导致其半径趋于零，即形成黑洞。
这一限制对于理解中子星的形成和演化具有重要意义。
三、相对论效应在中子星研究中的观测证据1. 重力波的探测重力波是由于极为密集的天体运动而产生的引力波动。
相对论效应对于解释重力波的形成和传播具有重要作用。
通过探测和分析重力波信号，科学家们可以推断中子星的结构和性质，并且验证相对论效应在其中的作用。
2. 脉冲星的观测脉冲星是一类自转非常快的中子星，它们的快速自转是由于中子星的角动量守恒效应导致的。
观测脉冲星可以提供有关中子星内部结构和物质性质的宝贵信息。
通过分析脉冲星的自转行为，科学家们能够测量中子星的质量和半径，进一步验证相对论效应在其中的重要性。
四、未来研究展望相对论效应对于中子星的影响仍然是一个活跃的研究领域。
随着观测技术的进步和理论模型的完善，我们将能够更加深入地理解相对论效应在中子星结构中的具体作用。
未来的研究将重点关注相对论效应对中子星的动力学过程、引力波辐射和中子星的演化路径等方面的影响。
来世也辉煌--白矮星、中子星和黑洞
来世也辉煌--白矮星、中子星和黑洞
李龙臣
【期刊名称】《太空探索》
【年(卷),期】2001(000)006
【摘要】无
【总页数】2页(P46-47)
【作者】李龙臣
【作者单位】无
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于中子星和白矮星双星系统的探究 [J], 孙盛楠
2.《相对论、宇宙与时空》连载⑥——恒星演化的归宿(白矮星、中子星和黑洞) [J], 赵峥
3.Kerr型中子星与黑洞表面温度分布的研究 [J], 李宝霖;颜骏;田红金;杨晓焕
4.重复快速射电暴的白矮星和中子星双星模型 [J], 林一清;程再军
5.正电子可能起源于含黑洞或中子星的双星体系 [J], 朱哲
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第 28卷第 6期大学物理 Vol . 28No . 62009年 6月 COLLEGE PHYSI CS June 2009《相对论、宇宙与时空》连载《相对论、宇宙与时空》连载⑥———恒星演化的归宿 (白矮星、中子星和黑洞赵峥(北京师范大学物理系 , 北京 1008751赫罗图指向天空的望远镜发现 , 千亿计的恒星各式各样 , 它们不仅光度不同 , 颜色也各异 , 真是千姿百态、绚丽多彩 . 这里的光度 , 是指恒星的绝对光度 . 绝对光度反映 , 之后 , 恒星的真实亮度 , 释放出的光能 . . 恒星的颜色 , . (. Hertzs p rung 和美国天文学家罗素 (Russell 各自独立给出了一张表示恒星光度和表面温度的关系图 , 称为赫罗图 (图 1 . 注意 , 赫罗图反映的不是恒星在天空中的位置分布 , 而是它们的光度和温度之间的关系 . 由于温度是由光的颜色反映出来的 , 他们给每一个温度范围定义了一个光谱型 , 从高温的蓝星到低温的红星 , 依次分为 O 、 B 、 A 、 F 、G 、 K 和 M 共 7个光谱型 . 我们的太阳属于黄色的 G 型 , 表面温度约 6000K[1— 5].图 1赫罗图光谱型的名字很难记 , 有人编了一个小故事 :一个年轻的天文学家初次用天文望远镜看星空 , 那五颜六色的天体让他大为惊讶 , 不禁大喊道:“ Oh, be afine girl, kiss me ! ”(哦 , 真像一位仙女 , 吻我吧 ! . 这句话的每个单词的第一个字母 , . , . , (红矮 . , 是黄色的恒星 , . 主星序的右上方有低温而巨大的红巨星 , 左下方有小而高温的白矮星 , 它们属于恒星演化的不同阶段 . 星际物质在万有引力作用下塌缩变热 , 点燃热核反应 , 成为主序星 , 在这里度过它们 99%的寿命 . 当恒星内部的氢合成氦的反应结束时 , 恒星离开主星序 , 膨胀成红巨星 . 然后再演变成白矮星 . 下面 , 我们将详细地介绍这一演化过程 .2恒星的演化不同大小和颜色的恒星 , 实际上处于恒星演化的不同阶段[1— 5]. 宇宙诞生的初期 , 到处均匀分布着主要由氢和氦组成的气体 , 在万有引力的作用下气体聚集成团 , 形成星体 . 聚集过程中它们的引力势能转化为热能 , 使原本很冷 (温度约 100K 的物质温度升高 , 如果聚集成星体的气体物质很多 , 多到相当于太阳质量 (1. 99×1033g 或大于太阳质量 , 引力势能转化成的大量热能可使星体内部温度升高到 107K , 从而点燃星体中氢的聚变反应 . 这时 , 一颗发光发热的恒星就诞生了 . 恒星中氢聚变生成氦的热核反应 , 可以维持几十到几百亿年 , 这时 , 恒星处在一个长期稳定的阶段 , 这个时期约占恒星寿命的 99%. 这样的恒星在赫罗图中位于从左上方到右下方的主星序 , 称为主序星 . 恒星在主星序上的位置由它的质量决定 . 主星序左上方的星质量较大 , 最大可到 100M ⊙ (M ⊙为太阳质量 . 右下方的星质量较小 , 最小不低于 0. 1M ⊙ . 小于 0. 1M ⊙的星体 , 点燃不了氢的聚变反应 . 处于主序星阶段的恒星 , 在主星序上的位置基本不移58大学物理第 28卷动 , 直至氢的聚变反应结束 , 恒星离开主星序为止 . 我们的太阳就是这样一颗主序星 , 它的中心温度高达115×107K , 压强达到 3000亿个大气压 , 那里正进行着猛烈的热核反应 . 太阳在主序星阶段的寿命约为 100亿年 , 现在已经在主序星阶段燃烧了 50亿年 , 目前正处在它的中年时期 .恒星的存在 , 一方面依赖于万有引力把物质聚集在一起 , 不致于漫天飞扬 , 另一方面则靠热核反应产生的热量 , 造成粒子迅速运动 , 产生排斥效应 , 使物质不致于收缩到一点 . 正是万有引力的吸引作用与热排斥作用这对矛盾的存在 , 保证了恒星的生存 .当恒星中心部分的氢全部燃烧掉之后 , 恒星中部的热核反应就停止了 , 这时万有引力战胜了热排斥 , 星体开始收缩 . 由于恒星表面的温度远低于中心部分(例如太阳中心部分温度为 115×107K , 而表面温度只有 6000K , 那里还不曾发生过氢合成氦的热核反应 . 这时 , 随着星体的塌缩 , 高 , 那里的氢开始燃烧 , , 8, , 氦聚合成碳 , 再合成氧 , 这些热核反应短暂而猛烈 , 像爆炸一样 , 称为“ 氦闪” . 这种过程大约经历 100万年 , 在整个天体演化中 , 这是一个很短的“ 瞬间” . 此后几亿年中 , 恒星进入一个短暂的平稳期 . 当中心部分的氦逐渐燃烧完之后 , 外层氢的燃烧不断向更外部扩展 , 星体膨胀得越来越大 , 膨胀到原来的 10亿倍 . 由于外壳离高温的中心越来越远 , 恒星表面的温度逐渐降低 , 从黄色变成红色 . 由于体积巨大 , 这种红色巨星看来很明亮 . 著名的参宿四 (猎户座α, 星座中最亮的星编号为α, 其余依次为β, γ, … 、毕宿五 (金牛座图 2红巨星心宿二与太阳系大小的比较α 、大角 (牧夫座α 和心宿二 (天蝎座α 都是这样的红巨星 (图 2 . 主序星演化成红巨星的过程 , 就是它在赫罗图中的位置离开主星序的过程 . 红巨星位于赫罗图中主星序的右上方 . 50亿年后 , 我们的太阳也将由主序星演化成这样的红巨星 , 膨胀的太阳将逐步燃烧吞食掉水星、金星和地球 . 地球的轨道将被包在红巨星之内 , 海洋将全部沸腾蒸干 , 地球的残骸将继续在红巨星内部公转 , 红巨星外层气体灼热而稀薄 , 比我们实验室中所能得到的最好的真空还要空 , 所以地球仍能存在 , 并继续转动 . 当然 , 生命已不可能在地球上生存 .不过 , 50亿年后的人类 , 已经有极为发达的文明 . 回想一下 , 从自然科学诞生的哥白尼时代到现在 , 才经过了 500年 , 人类已经能够登月 , 50亿年后的人类将具有怎样的科技水平就不难想象了 . 那时的人类 , 肯定有能力迁移到其他星球去生存 . 银河系内有 1000亿 ~2000亿个太阳 , (既有一个太阳的太阳系 , , 三 , . 从现 , , 其 , 可能更有利于生物的生存 . 总之 , 银河系中肯定有大量适合人类生存的星球 , 未来的人类一定会有能力 , 迁移到新的星球上去生存 . 如果舍不得我们的故乡地球 , 也有可能把地球一起迁移到其他合适的太阳系去 . 例如可以设想在地球上造个巨大的喷嘴 , 像驾驶火箭一样驾驶地球 , 留下几个驾驶小组的人值班 , 其余的人则可用先进的冷冻技术冬眠 , 到达目的地后再从冬眠状态下复苏过来 .核能源进一步枯竭之后 , 红巨星将抛出一些气体 , 形成“ 行星状星云” . 一般来说 , 恒星在望远镜中看是一个点 , 而行星离地球近 , 在望远镜中呈现为一个圆面 . 所谓“ 行星状星云” , 实际上是恒星周围的云状物质 , 在地球上用望远镜看 , 像行星一样是一个小圆面 , 其实与行星毫无关系 . 这个阶段 , 红巨星的中心部分将塌缩 , 形成小而高密、高温的白矮星 . 白矮星温度高 , 呈白色 ; 体积小 , 因而亮度小 . 它位于赫罗图主星序的左下方 . 随着热核反应的逐渐停止 , 白矮星将逐渐冷却成为黑矮星 , 黑矮星由碳和氧两种元素构成 , 是一种比钻石还要硬的星体 . 白矮星冷却成黑矮星的过程十分缓慢 , 可能需要 100亿年左右 (图 3 .图 3恒星的演化第 6期赵峥 :《相对论、宇宙与时空》连载⑥ 59白矮星的主要化学成分是高密度的碳和氧 . 那么宇宙中硅、镁、硫、铁等元素来自何方呢 ? 它们来自超大质量恒星的演化 . 如果一颗恒星 , 在中心部分氢-氦热核反应终止 , 开始从主序星向红巨星演变时 , 还保有 8M ⊙以上的质量 , 那么 , 它们会发生更深层次的热核反应 . 这种超大质量恒星的内部 , 在塌缩时巨大的引力势能可把那里的温度加热到 6×108K 以上 , 使碳发生聚合反应生成氖和镁 , 这时温度进一步升到 109K , 氖与氦又合成镁 . 此反应导致温度再升到 115×109K 以上 , 氧开始燃烧合成硫、硅等元素 . 然后 , 温度进一步升到 3×109K 以上 , 硅开始燃烧 , 并引发成百上千种核反应 , 最终生成铁 . 这些重元素合成的时间很短 , 例如对于 25M ⊙质量的恒星 , 碳可燃烧 600年 , 氖燃烧 1年 , 氧燃烧 6个月 , 而硅只燃烧 1天就烧光了 . 这时恒星的最中心部分由新生成的铁组成 , 往外依次是硅硫、氧镁、氖氧、碳氧、 . 部分构成恒星的内核 . -中不断膨胀 , 超红巨星 . , 的右上方 . , 那么连冥王星轨道都将被其吞没 .恒星内核逐渐降温 , 在巨大的万有引力下继续塌缩 , 最终形成位于赫罗图左下方的中子星 . 在中子星生成过程中 , 猛烈的大爆炸把部分重元素抛向太空 , 成为星际物质 . 这些星际物质在适当的情况下可以形成新的恒星、行星 , 或被其他恒星俘获 , 聚集成行星 . 这就是行星中重元素的来源 .图 4主序星、红巨星、白矮星、中子星与黑洞大小的比较白矮星与中子星是高质量密度的恒星 . 在赫罗图中 , 它们是恒星演化的归宿 . 主序星中心部分的核燃料氢耗尽之后 , 先膨胀成红巨星 , 再塌缩成白矮星 . 质量超过 8M ⊙的主序星 , 则先膨胀成超红巨星 , 再塌缩成中子星或黑洞 , 并在塌缩过程中引起超新星爆发 (图 3、图 4 .3白矮星人类确认的第一颗白矮星是天狼星的伴星 (天狼 B 星[1— 4]. 天狼星的希腊名字为大犬座α星. “ 天狼”是中国人起的名字 . 它是除太阳外 , 肉眼看来最亮的一颗恒星 . 天狼星之所以看起来很亮 , 是因为它离我们比较近的缘故 . 冬天的黄昏之后 , 它出现在东南方的天空 . 天狼星的左下方 , 有中国古人称为“弧矢” 的一组星 . 在中国古代 , . 古人用弧矢射天狼来表示抗击侵略 (图 5弧矢射天狼屈原曾在诗中写道:“ 举长矢兮射天狼 , 操余弧兮反沦降. ” 宋朝诗人苏东坡也在一首词中写道:“ 会挽雕弓如满月 , 西北望 , 射天狼” . 但是天狼星从来不出现在天空的西北方向 . 苏东坡这样写 , 一方面是因为天狼星在弧矢的西北方向 , 另一方面是因为北宋时 , 侵略力量主要来自西北方的西夏 .恒星 , 顾名思义在天空中是不动的 . 也就是说 , 在地球上的人看来 , 恒星之间的相对位量是不变的 , 这是由于它们离我们太远的缘故 . 太阳是离我们最近的恒星 , 光走 8m in 可以到达地球 . 其他恒星就远多了 , 离太阳最近的比邻星 (属于中国人所说的“ 南门二” , 希腊名字叫半人马座α, 这是一组由 3颗恒星组成的“ 三合星” , 3个“ 太阳” 围绕它们的共同重心旋转 . A 、 B 两星相互距离较近 , C 星即比邻星 , 离我们最近 . 光到达地球要走 4年多 . 也就是说 , 它们距离我们 4个多 l . y . (l . y . 为光年 , 光走 1年的距离 . 牛郎星距离我们 16l . y . , 织女星则有 27l . y . , 它们二者相距也差不多 16l . y . 因为恒星离我们非常遥远 , 它们之间也相距十分遥远 , 所以肉眼一般很难看出恒星之间相对位置的变化 . 只有离地球最近的一些恒星 , 我们才60大学物理第 28卷能察觉这种变化 [3, 6].1834年 , 人们发现距我们约 9l . y . 的天狼星在天空的位置有周期性变化 , 推测它可能有一颗质量不小的伴星 . 天狼星位置的周期性变化 , 正是天狼与其伴星绕着它们的共同重心旋转的表现 (图 6 . 28年后 , 发现了这颗伴星 , 质量与太阳差不多 , 但体积只有地球那么大 . 由于体积太小 , 虽然表面温度高达 2×104K , 发出很强的白光 , 仍很难发现它 . 因为它又白又小 , 所以称其为白矮星 . 当时最让人惊讶的是它的密度 , 约为 2. 5t /c m 3, 这是地球上的任何物质都远远比不上的.图 6天狼星与其伴星研究表明 , 白矮星不是一颗普通物质形态的星 . 它既不像一般恒星那样 , 靠热效应产生的排斥来对抗自身的万有引力 , 也不像行星、卫星那样靠晶格间(或分子间、原子间的电磁力来抗衡万有引力 , 而是靠泡利不相容原理产生的电子简并压强来抵抗引力[1— 4, 7, 8].红巨星的内部物质在氢聚合成氦的热核能耗尽时塌缩 , 此塌缩过程迅速而猛烈 , 相当于恒星寿命的一瞬间 (约 100万年 , 称为“ 氦闪” . 在氦闪过程中 , 氦聚变生成碳和氧 , 这时原子间的电磁力顶不住自身万有引力的猛烈挤压 , 原子的电子壳层被压碎 , 形成电子在晶格中自由穿行 , 或者说原子核构成的晶格框架漂浮在电子海洋中的状态 . 在这种电子海洋 (或电子气中 , 电子的状态由能量、动量和自旋决定 . 由于量子化 , 能级、动量值和自旋值都是离散的 , 都只有有限个 . 当物质压紧时 , 由于体积缩小 , 上述量子态将被电子挤满 . 泡利不相容原理不允许两个电子处在同一个状态 , 正如一个萝卜一个坑 , 同一个坑里不允许有两个萝卜存在一样 . 如果硬要在同一个坑里放两个萝卜 , 它们就会互相排挤 . 同样 , 相互靠近的电子将产生一种新的排斥力 (这种新的“ 泡利斥力” 不是同种电荷产生的那种斥力 , 只有满足泡利不相容原理的费米子之间才存在这种力 , 也称费米压强 , 阻止体积进一步缩小 . 这种力顶住了万有引力 , 使得星体不再塌缩 , 这就是白矮星状态 .太阳的半径为 7×105km , 太阳质量的白矮星半径只有 104km . 研究表明 , 宇宙间存在大量白矮星 , 大约占恒星总数的 1/10. 这就是说 , 在银河系的 1000亿颗恒星中 , 有大约 100亿颗是白矮星 . 它们的密度一般在 0.1~100t /c m 3之间 . 白矮星像一块炽热的金刚石 (主要成分是碳和氧 , 内部温度可高达 108K . 随着内部核反应的逐渐停止 , 白矮星会慢慢冷却 , 最终形成一块不发光的、比钻石还硬的晶体———黑矮星 . 黑矮星就像一块巨大的金刚石一样 , 在宇宙空间游荡 . 不过 , , 这是因为 , 与宇宙的 , , .、白矮星在银河系中数量很多的人 , 是英国天体物理学家爱丁顿 . 最早认识到电子之间的泡利斥力可以抗拒恒星引力塌缩的人是英国物理学家狄拉克 . 而第一个建立起白矮星结构理论的人 , 则是印度青年物理学家钱德拉塞卡 .1930年 , 在一艘从印度开往英国的轮船上 , 一位 20岁的印度青年一会儿冥思苦想 , 一会儿埋头计算 .他就是钱德拉塞卡 , 大学毕业后打算去投奔著名的爱丁顿教授 , 攻读天体物理 . 此时他正在钻研白矮星的结构 . 他把相对论、量子论与统计物理结合到一起考虑 , 认为泡利不相容原理所产生的电子之间的排斥力有一个限度 . 这种排斥力可以抵挡住质量小于 1. 4M ⊙的恒星的重力 , 但抵挡不住质量更大的恒星的重力 . 也就是说 , 质量小于 1. 4M ⊙的恒星在冷却的时候 , 有可能靠这种力抵挡住自身的万有引力 , 不再进一步塌缩 , 而形成原子核构成的晶格框架在电子海洋中漂浮的状态 . 白矮星上的物质就处于这种状态 . 但是 , 如果恒星质量大于 1. 4M ⊙ , 万有引力将迫使电子更加靠近 , 这时电子间泡利斥力会增大 , 但电子速度也会增大 , 当电子速度接近光速时 , 会形成“ 相对论性电子气” , 这时泡利斥力会突然减弱 . 这种力将抗不住恒星的自身引力 , 恒星将进一步塌缩下去 . 他认为 , 1. 4M ⊙是一个界限 . 不存在大于这个质量的白矮星 .当轮船靠岸时 , 他已经得出了重要的结果 . 钱德拉塞卡非常兴奋 , 准备把自己的研究结果作为见面礼 , 送给爱丁顿教授 . 钱德拉塞卡满心以为爱丁顿教第 6期赵峥 :《相对论、宇宙与时空》连载⑥ 61授会夸奖他 . 然而 , 爱丁顿听完他的讲述后非常冷淡 , 认为他的结论不对 . 钱德拉塞卡是个忠厚而彬彬有礼的青年 , 他没有与教授争吵 , 而是进一步推敲自己的工作 . 以后钱德拉塞卡曾多次向爱丁顿陈述自己的观点 , 均被爱丁顿否定 .有一天 , 爱丁顿告诉 24岁的钱德拉塞卡 , 为他争取到一个在重要学术会议上报告其工作的机会 , 而且运用自己的影响为钱德拉塞卡争得比别人更长的报告时间 . 使他能够更充分地阐述自己的观点 . 在开会之前 , 他又告诉钱德拉塞卡 , 他也要在这个会议上作报告 , 而且题目与钱德拉塞卡相同 , 都是关于星体塌缩与白矮星形成的 . 钱德拉塞卡立刻担心起来 , 怕爱丁顿抢夺他的研究成果 . 然而 , 结果却与他预料的完全相反 . 当钱德拉塞卡报告完自己的工作的时候 , 爱丁顿当面撕掉钱德拉塞卡的论文 , 说他是一派胡言 . 爱丁顿的理由很简单 :重力 , 星体将无限坍缩 , . . 爱 , , 态度强硬 . , 由于爱丁顿的崇高学术威望 , 大家都认为他在学术上闹了大笑话 . 然而泡利肯定了钱德拉塞卡的工作 . 当钱德拉塞卡向泡利征求意见 , 并告诉泡利 , 爱丁顿教授认为他的这一工作违反泡利不相容原理的时候 , 泡利笑了起来 , 说 :你的这件工作也许违背了爱丁顿不相容原理 , 但没有违背我的不相容原理 .钱德拉塞卡的理论终于得到了公认 , 他所指出的白矮星的质量上限 , 被称为钱德拉塞卡极限 [1— 4, 7, 8]:钱德拉塞卡极限 =1. 4M⊙(1 目前 , 钱德拉塞卡极限是任何天文工作者都知道的一个极限 . 1983年 , 73岁的钱德拉塞卡 , 由于研究白矮星和其他方面的杰出贡献获得了诺贝尔物理学奖 . 钱德拉塞卡 24岁做出重大成就 , 73岁才获奖 . 人们开玩笑说 , 要想得到诺贝尔奖金 , 不仅要作出杰出的贡献 , 还要活得足够长久 , 要活到评上奖的那一天 . 诺贝尔奖是不发给已死去的人的 .4脉冲星和超新星爆发质量超过钱德拉塞卡极限的星体 , 电子将被压入原子核中 , 与其中的质子合併成中子 , 成为中子星 [1— 4, 7— 9]. 中子星与白矮星有些类似 , 它不是靠热排斥或电磁作用来抗衡引力 , 而是靠中子间的简并压强 (泡利斥力来抗衡 . 早在发现中子的 1932年 , 就有人预言了中子星的存在 , 然而发现中子星则是 30多年之后的事 .1967年的夏天 , 剑桥大学的休伊什 (A. He wish 教授用自己设计的仪器进行巡天观测 , 搜寻来自宇宙间的电磁波 . 他的主要助手是女研究生贝尔 (J. Bell . 一天晚上 , 贝尔发现一个奇怪的电波源 , 其发射的短脉冲是严格周期性的 . 贝尔立刻打电话告诉了自己的老师 . 休伊什来到观测室与贝尔仔细探讨 , 然后嘱咐贝尔严格保密不要外传 . 经过半年的反复验证、推敲 , 他们终于在 1968年 2月于英国的《自然》杂志 (Nature 上公布了这一惊人的发现 . 然而只公布了观测结果 , 而没有公布脉冲源在天空的方位 . 他们 , 因而取了个代号叫“ 小绿人” .“ , ., 同行们纷纷来 , 急于参加进来共同研究 . 但休伊什迟迟不予公布 . 最后在同行们的愤怒压力下 , 休伊什终于公布了几个脉冲源的位置 . 不久人们就认识到 , 这些脉冲根本不负载任何信息 , 因而不可能是什么外星人的联络信号 , 而是一种未知星体发射来的电磁波 . 人们把这种星叫做脉冲星 . 进一步的研究表明 , 脉冲星就是中子星 .休伊什与贝尔共同发现脉冲星 , 对天体物理学做出了重大贡献 . 1974年 , 诺贝尔奖评委会抛开贝尔 , 单独把诺贝尔物理学奖授予了休伊什 . 对此事 , 国际天文界议论纷纷 , 许多人为贝尔鸣不平 . 霍金就在自己的《时间简史》 (插图本中称贝尔首先发现了脉冲星 , 并且只刊登了贝尔一个人的相片 (图 7.图 7中子星的发现者———休伊什、贝尔与他们使用的天线阵1968年秋 , 在蟹状星云和船帆座中几乎同时发现了脉冲星 [9]. 这两颗脉冲星都位于以前出现过超新星的位置上 . 这是一个重要发现 , 它表明脉冲星62 大学物理第 28 卷 (中子星是由超新星爆发而形成的 . 超新星是恒星演化晚期发生的一种大爆炸现象 ,爆炸规模相当于几百亿亿亿颗百万吨级的氢弹 ! 一天里放出的能量相当于太阳在数十万年间放出的总能量 . 这时 , 星的亮度会增加上亿倍 ,使人们觉得天空中突然出现了一颗亮星 (图 8 . 但存在时间不会太长 , 肉眼所见一般不过几年 ,最亮的时间不过几天到几十天 . 在公元 1054 年左右由小星开始膨胀的 . 也就是说 ,蟹状星云正是 1054 年超新星爆发喷出的物质 , 星云中心的那颗小暗星 ,应该是当年超新星爆发后剩下的残余星体 (图 10、 11 . 1968 年秋 ,人们发现蟹状星云图中的这颗小星也是一颗脉冲星 . 于是人们认识到 , 脉冲星 (中子星是由超新星爆发而形成的 . 图 8超新星爆发我国的史书记载 , 公元1054 年在金牛座出现过超新星 ,日本、、朝鲜越南的史书也有这次超新星爆发的记录 ,但以我国的记录最为详细 (图 9 . 而且只有我国记录了这颗超新星在天空的位置 ,这对后来认识超新星与蟹状星云、中子星的关系至关重要 [9 ] 图 10 蟹状星云 . 我国古代称超新星为客星 . 记录说 , 宋仁宗“ 至和元年五月 ,客星晨出东方 ,守天关 . 昼见如太白 ,芒角四出 ,色赤白 ,凡见二十三日”有二十三天能在白天看见 , 像 . 金星一样明亮 . 此后白天看不见了 ,但有二年多时间 , 夜晚仍然能看见 . 可见 ,这次超新星爆发之猛烈 ,发生地点离我们太阳系之近 . 特别令人感兴趣的是 , 望远镜出现之后 , 在我国古代天文学家记录的客星位置上 ,人们观察到一个螃蟹状的星云 , 星云由气体和尘埃组成 ,它在不断地膨胀 , 其膨胀速度达每秒 1 100 多公里 . 从观测到的膨胀速度 , 可以计算出此星云是图 11 蟹状星云在星空的位置我国古代的天文记录十分丰富 .《后汉书・天文志》中还记载 ,公元 185 年,“ 南门” 中有客星出现 . 近代天文观测发现 ,在那个位置上也有一颗小暗星 . 南京大学天文系的陆琰教授预言此星是γ射线脉冲星 , 后来被观测所证实 . 一般脉冲星只发射无线电波 , 不发射γ射线 . 发射γ射线的脉冲星十分稀少 , 至今只发现了 7 颗 . 中子星具体怎样形成呢 ? 如前所述 , 超过 8 M ⊙的主序量在演变成超红巨星之后 ,中心部分核反应温 9 度可升高到 3 × K, 生成以铁为中心的核 , 外层则 10 仍在进行氢转化为氦的热核反应 . 图 9中国古代的超新星记录第 6期 :《赵峥相对论、宇宙与时空》连载⑥ 5 3 63 生成的铁核越来越大 , 仅靠原子间的电子斥力已不能支撑它自身的重量 . 这时 , 铁核将进入白矮星状态 , 电子的泡利斥力将起来抗衡万有引力 . 当铁核质量超过 1. 4 M ⊙的钱德拉塞卡极限时 ,铁核突然塌缩 , 在 0. 1 s内温度猛增到 5 × K, 电子与质子中和成 10 中子 , 在超红巨星的中心形成一个主要由中子构成的超大原子核 , 这是一种中子态的物质 , 靠泡利不相容原理产生的简并中子压强来支撑自己 . 在星体的中心形成中子态物质的同时 , 非中子化的外层开始塌缩 , 砸在核心的中子态物质上 , 并发生猛烈的反弹 , 形成超强冲击波 , 把超红巨星的外层包括核的外层全部炸掉 , 抛入太空 . 这就是超新星爆发 , 它在 1 天内发出的光相当于主序量 (例如今天的太阳 1 亿年发出的光 . 它喷出的物质 , 包括许多重元素 , 成为形成新的恒星和行星的原材料 . 包括我们地球在内的众多行星中的重元素 , 都来自超新星爆发 . 超新星爆发现象是比较稀少的 , 一般说来 , 一个星系 (一个银河系 100 年内大约能产生 4 颗超新星 . 如上所述 , 中国有着世界上最早的超新星记载资料 . 根据我国古代的观测记录 , 再结合现在的天文观测 , 可以证实超新星爆发后 , 会有气体尘埃形成的云雾向四面八方喷出 , 而爆发之后剩下的星体核心部分 , 将形成中子星 (或黑洞 . 9 从上到下逐渐增加 , 约 1 ～4 × t/ cm , 上层类似于 10 白矮星物质 (图 12 . 图 12 中子星的内部结构由于巨大的万有引力 ,中子星表面不可能形成高的山峰 . 它的表面平坦 ,最高峰也只有几厘米高 . 表面 7 温度约 10 K左右 . 许多中子星会发射出周期极短(约 1 s 的射电脉冲 , 这种脉冲正是休伊什和贝尔在 1967 年发现的那种 . 研究表明 , 这种脉冲来自中子星的磁轴方向 , 那里好像一个窗口 ,从里面射出各种波长的电磁脉冲 . 这是由于恒星塌缩成中子星时体积极大地缩小 , 但磁场依然保留 , 所以 , 中子星表面的磁场极强 , 强磁场使电子加速 , 并沿磁轴方向发射电磁波 (图 13 . 另外 , 恒星塌缩成中子星时 , 半径极大缩小 , 但角动量守恒 , 所以中子星旋转极快 . 中子星的磁轴与自转轴一般不重合 , 窗口射出的辐射就像探照灯的光柱一样在宇宙中扫描 , 每扫过一次地球 , 我们就收到一个脉冲 . 中子星自转极快 , 自转周期约 1 s, 所以我们收到的脉冲间隔是 1 s左右 . 研究表明 , 所有的脉冲星都中子星 , 但不是所有的中子星都能观测到脉冲辐射 . 中子星的密度远高于白矮星 . 太阳质量的中子星5中子星中子星的质量密度非常高 . 研究表明 , 它们主要 [ 1 —4, 7 —9 ] 由中子构成 . 中子星可以看作大原子核 . 一般 57 55 中子星中含有约 10 个中子 ,此外还有约 10 个质子及同样数目的电子 . 这些质子和电子填满了中子可能衰变的态 ,阻止中子衰变 ,使中子星稳定 ,成为一个稳定的大原子核 . 中子星也有点像“ 汤姆孙原子”电子 , 嵌在带正电的核中 . 如果分别用原子核中的质子数和中子数作纵坐标和横坐标 , 那么 , 通常化学元素中稳定性好的原子核 , 基本分布在过原点的 45 °线附。