天体物理学南京大学课件chapter04.ppt

第四章 致密星 §4.1 白矮星 §4.2 中子星 §4.3 黑洞 §4.1 白矮星 (white dwarfs) 1. 发现 天狼星（Sirius）双星，Porb= 50 yr 天狼A：mv =－1.45m，Mv = 1.4m 天狼B：mv = 8.68m，Mv = 11.6m Teff = 2.6×104 K → R≈5×108 cm 轨道运动 → M = 1.05 M⊙ → ρ= 3.8×106 gcm-3 2. 白矮星基本特征 在H-R图白矮星位于主序带的左下方 形成 光度与光谱： 绝对星等Mv ~ 8m-16m，有效温度Teff ~ 5×103- 4×104 K. 光谱分类DC、DO、DB…DM. 结构： 质量M ~ 0.2-1.1 M⊙（平均 ~ 0.6 M⊙） 半径R ~ 5×108-109 cm 密度ρ~105-107 gcm-3 自转周期 P≥10 sec 2. 简并电子气与Chandrasekhar极限 (1) 简并电子气 高温 → 原子电离 → 自由电子 高密 → 电子简并 → 简并电子压力（Pauli不相容原理） Pe = nvp 由测不准原理，电子的动量p ~△p ~ h/△x ~ h/(V/N)1/3 ~ (N/V)1/3 非相对论性情形 ：Pe ~ np2~ (N/V)5/3~ρ5/3 相对论性情形 ：Pe ~ ncp ~ρ4/3 (2) 质量-半径关系 (3) Chandrasekhar极限 对高质量白矮星，简并电子气是相对论性的。 → 随着质量增大，引力比压力增大得更快 → 白矮星质量上限（Chandrasekhar极限质量） 对He白矮星，Mch≈1.44 M⊙ 对CO白矮星，Mch≈1.4 M⊙ Why stars with masses ~8M⊙ form white dwarfs? §4.2 中子星 (neutron stars) 1. 中子星研究简史 1054年中国北宋天文学家发现金牛座客星（超新星） 《宋史．天文志》： 宋至和元年五月己丑（1054年7月4日），客星由天关东方可数寸，岁余稍没。 《宋会要》： 嘉祐元年（1056年）三月，司天監言：客星没，客去之兆也。初，至和元年（1054年）五月，晨出東方，守天关，书见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。 1932年L. D. Landau预言简并中子流体的存在。 1934年W. Baade和F. Zwicky预言超新星爆发产生中子星 (?) “…supernovae represent the transitions from ordinary stars into neutron stars, which in their final stages consist of extremely closely packed neutrons.” PHYSICAL REVIEW, VOL. 4, JANUARY 15, 1934  Neutron Star in 3C 58 1939年J. R. Oppenheimer计算出第一个中子星理论模型。 1967年J. Bell发现第一颗射电脉冲星 PSR 1919+21. 1968年T. Gold提出旋转中子星的脉冲星模型。 1968年探测到船帆座超新星遗迹和蟹状星云中的脉冲辐射。 1971年Uhuru卫星探测到第一颗X射线脉冲星Cen X –3. 2. 中子星的形成 中子的形成—URCA过程（逆β衰变） 当电子处于简并态时，第二步反应受到Pauli不相容原理的抑制。 电子数减少 → 电子简并压降低 → 加速核心坍缩 中子数增加 → 原子核结合能降低 当ρn= 4×1011 gcm-3, 中子从原子核中滴出 当ρn= 1014 gcm-3, 原子核瓦解，形成中子海洋 3. 结构 特征质量M ~ 1.4 M⊙, 半径R ~ 10 km 由外向内依次为： 4. 中子星的质量上限 质量－半径关系：中子星的质量越大，半径越小。 Oppenheimer极限质量：～2-3 M⊙ 5. 射电脉冲星(radio pulsars) (1) 发现 1967年剑桥大学穆拉德射电天文台研究生Jocelyn Bell 利用A. Hewish领导研制的射电望远镜发现了第一颗射电脉冲星PSR 1919+21， 脉冲周期P＝1.3373 sec。 1968年发现位于船帆座（Vela Nebula）超新星遗迹中的脉冲星PSR 0833-45和蟹状星云（Crab Nebula）中的脉冲星PSR 0531+21，脉冲周期分别为89 ms和33 ms. (2) 主要特征 数目超过1200颗。 集中分布在银道面附近。 脉冲周期 ~1