物理與文化第九章天體物理學(xué)的新發(fā)展(簡介)

1、文科文科物理物理相對論 的功勛們邁克爾孫邁克爾孫洛倫茲洛倫茲馬赫馬赫實(shí)驗(yàn)證實(shí)實(shí)驗(yàn)證實(shí)“以太以太”的沒的沒有有長度收縮長度收縮狹義相對論狹義相對論批評牛頓時空批評牛頓時空莫雷莫雷文科文科物理物理第九章第九章 天體物理學(xué)的新發(fā)展天體物理學(xué)的新發(fā)展( (簡介簡介) ) “世界上有兩件東西能夠深深地震撼我世界上有兩件東西能夠深深地震撼我們的心靈：一件是我們心中崇高的們的心靈：一件是我們心中崇高的道德道德準(zhǔn)則準(zhǔn)則；另一件是我們頭頂上燦爛的；另一件是我們頭頂上燦爛的星星空空”。 德國哲學(xué)家康德德國哲學(xué)家康德文科文科物理物理 物質(zhì)結(jié)構(gòu)按其空間尺度和質(zhì)量大小可分為微觀、宏觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)按其空間尺度和質(zhì)量大小可分為

2、微觀、宏觀和宇觀三大層次。在宇觀層次中，是包括從小行星開和宇觀三大層次。在宇觀層次中，是包括從小行星開始，經(jīng)過行星，恒星，星系，星系團(tuán)，超級星系，直始，經(jīng)過行星，恒星，星系，星系團(tuán)，超級星系，直到可觀察的宇宙。到可觀察的宇宙。 和電磁相互作用不同，萬有引力相互作用不能屏蔽和和電磁相互作用不同，萬有引力相互作用不能屏蔽和中和，所以隨著質(zhì)量的增加，逐漸成為占支配地位的中和，所以隨著質(zhì)量的增加，逐漸成為占支配地位的相互作用。相互作用。文科文科物理物理 6060年代以來宇觀領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)，性質(zhì)，規(guī)律和演化已逐年代以來宇觀領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)，性質(zhì)，規(guī)律和演化已逐漸成為近代物理學(xué)研究的基本問題和前沿問題。漸成為近代物

3、理學(xué)研究的基本問題和前沿問題。 本章將著重介紹當(dāng)前人們所關(guān)心的天體物理學(xué)方面的本章將著重介紹當(dāng)前人們所關(guān)心的天體物理學(xué)方面的一些新的進(jìn)展。一些新的進(jìn)展。文科文科物理物理9.1 9.1 夜晚的天空為什么是黑暗的？夜晚的天空為什么是黑暗的？ 早在早在1720年到年到1823年期間英、法、德三國各有一位天年期間英、法、德三國各有一位天文家文家(分別是哈雷，切西亞赫，奧爾勃斯分別是哈雷，切西亞赫，奧爾勃斯)提出了如下命提出了如下命題：如果恒星大體上均勻分布于無限的宇宙空間，我題：如果恒星大體上均勻分布于無限的宇宙空間，我們從任何一個方向上去看，總會看到一顆星，因而總們從任何一個方向上去看，總會看到一顆

4、星，因而總是亮的，而不是黑暗的。換句話說，夜晚的天空到處是亮的，而不是黑暗的。換句話說，夜晚的天空到處都應(yīng)該同太陽表面一樣明亮！但事實(shí)遠(yuǎn)非如此。后來都應(yīng)該同太陽表面一樣明亮！但事實(shí)遠(yuǎn)非如此。后來這命題被稱為這命題被稱為“奧爾勃斯佯謬奧爾勃斯佯謬”。文科文科物理物理1.1.一種解釋一種解釋 19461946年，哈里森研究指出，在上述命題中，一個年，哈里森研究指出，在上述命題中，一個根本的錯誤是假定了恒星一直在發(fā)光。實(shí)際上一個恒根本的錯誤是假定了恒星一直在發(fā)光。實(shí)際上一個恒星從星際彌漫物質(zhì)中開始形成，到發(fā)光，到內(nèi)部核燃星從星際彌漫物質(zhì)中開始形成，到發(fā)光，到內(nèi)部核燃料燒完，最后恒星演化歸宿到白矮星、

5、中子星料燒完，最后恒星演化歸宿到白矮星、中子星( (見見9.3)9.3)或星洞。從生到死有一定壽命。一般估計(jì)恒星或星洞。從生到死有一定壽命。一般估計(jì)恒星發(fā)光壽命約發(fā)光壽命約t t* *100100億年億年(10(101010年年) )，它遠(yuǎn)比光離開恒星，它遠(yuǎn)比光離開恒星表面后到波吸收所所經(jīng)過的平均時間表面后到波吸收所所經(jīng)過的平均時間 ( (約約10102323年年) )小得小得多多( (t t* * ) )。文科文科物理物理 哈里森的計(jì)算表明：不考慮恒星有壽命時，星光傳到哈里森的計(jì)算表明：不考慮恒星有壽命時，星光傳到我們所在處疊加起來的總的輻射能量密度我們所在處疊加起來的總的輻射能量密度u等于

6、一顆等于一顆恒星表面的輻射能量密度恒星表面的輻射能量密度u*?？紤]到有壽命時，則：。考慮到有壽命時，則： 可見可見u很小，觀察不到。很小，觀察不到。t*u = u*文科文科物理物理2. 另一種解釋另一種解釋 1964年也發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射充滿宇宙空間，相當(dāng)年也發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射充滿宇宙空間，相當(dāng)溫度溫度T 3K3K的黑體輻射。假如我們認(rèn)為這種背景輻射的黑體輻射。假如我們認(rèn)為這種背景輻射就是來自宇宙一切黑體貢獻(xiàn)的總和，則由黑體輻射能就是來自宇宙一切黑體貢獻(xiàn)的總和，則由黑體輻射能量密度公式，可估計(jì)量密度公式，可估計(jì)u u值：值： 其中其中TT 4 4為黑體的總輻射本領(lǐng)為黑體的總輻射本領(lǐng)( (見

7、見6-1-56-1-5式式) )。44u =Tc文科文科物理物理 也可用也可用 求得恒星表面的求得恒星表面的u*值，取值，取 T*6000K(6000K(太陽表面溫度太陽表面溫度) )可得：可得： 兩種估計(jì)大致相符，這恐怕不是偶然的。兩種估計(jì)大致相符，這恐怕不是偶然的。 44u =Tc4143()6 106000uu* 文科文科物理物理9.2 9.2 宇宙大爆炸理論，哈勃紅移，宇宙宇宙大爆炸理論，哈勃紅移，宇宙微波背景輻射及其他微波背景輻射及其他1. 宇宙大爆炸理論宇宙大爆炸理論 1948年物理學(xué)家伽莫夫首先提出：宇宙是從一個高寬年物理學(xué)家伽莫夫首先提出：宇宙是從一個高寬度的火球爆炸開始的。但

8、直到度的火球爆炸開始的。但直到20世紀(jì)世紀(jì)60年代初還很少年代初還很少有人相信。當(dāng)時的一個主要根據(jù)是哈勃紅移。孩子到有人相信。當(dāng)時的一個主要根據(jù)是哈勃紅移。孩子到1965年年3K微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，才使上述假設(shè)逐步發(fā)微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，才使上述假設(shè)逐步發(fā)展成為被公認(rèn)的理論。展成為被公認(rèn)的理論。 大爆炸理論基本思想大致如下：大爆炸理論基本思想大致如下： 文科文科物理物理 約在距今約在距今137億年前，爆炸從一個密度無限大的奇點(diǎn)開億年前，爆炸從一個密度無限大的奇點(diǎn)開始始約約10-35s后，后一個特別快速的膨脹過程后，后一個特別快速的膨脹過程(稱暴脹稱暴脹 )，當(dāng)膨脹變慢后，宇宙充滿了夸克和電子等基

9、本粒子當(dāng)膨脹變慢后，宇宙充滿了夸克和電子等基本粒子到到10-6s時，夸克結(jié)合成中子和質(zhì)子等強(qiáng)子，他們約在時，夸克結(jié)合成中子和質(zhì)子等強(qiáng)子，他們約在3分鐘后形成原子核分鐘后形成原子核約約38萬年后，宇宙以冷卻到溫度萬年后，宇宙以冷卻到溫度為為4000K左右，質(zhì)子能俘獲電子而形成中性的氫原子，左右，質(zhì)子能俘獲電子而形成中性的氫原子，這時原來從大爆炸產(chǎn)生的光子開始自由地運(yùn)動而充滿這時原來從大爆炸產(chǎn)生的光子開始自由地運(yùn)動而充滿宇宙空間宇宙空間50億年后，星系形成，太陽系形成億年后，星系形成，太陽系形成100億億年后，宇宙溫度冷卻到年后，宇宙溫度冷卻到2.7K，出現(xiàn)人類活動。，出現(xiàn)人類活動。(見下圖見下圖

10、)文科文科物理物理文科文科物理物理2. 大爆炸理論的大爆炸理論的5個依據(jù)個依據(jù)哈勃紅移哈勃紅移1929年起，科學(xué)家測得遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出年起，科學(xué)家測得遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光譜線普遍存在一種的光譜線普遍存在一種“紅移紅移”現(xiàn)象，稱哈勃紅移?，F(xiàn)象，稱哈勃紅移。這是由于恒星以速度這是由于恒星以速度v遠(yuǎn)離地球所造成的。根據(jù)多普遠(yuǎn)離地球所造成的。根據(jù)多普勒效應(yīng)，光源遠(yuǎn)離地球時，地球上的觀察者測得的勒效應(yīng)，光源遠(yuǎn)離地球時，地球上的觀察者測得的表現(xiàn)頻率將減小，即波長增大，成為紅移。紅移量表現(xiàn)頻率將減小，即波長增大，成為紅移。紅移量定義為：定義為： e為地球上測得的同種物質(zhì)的譜線波長。利用為地球上測得的同種物質(zhì)的譜線波

11、長。利用(8-3-19)式式 ，可得相對論計(jì)算結(jié)果，可得相對論計(jì)算結(jié)果(讀者自證讀者自證)； ee-=()Z 1/21+=()11-v/cZv/c文科文科物理物理 目前測到最遠(yuǎn)的目前測到最遠(yuǎn)的Z=10，即，即v/c=0.9836。 哈勃紅移給人哈勃紅移給人們描繪了一幅宇宙膨脹的圖像，是對宇宙大爆炸假設(shè)們描繪了一幅宇宙膨脹的圖像，是對宇宙大爆炸假設(shè)的第一個支持論據(jù)，哈伯發(fā)現(xiàn)紅移量的第一個支持論據(jù)，哈伯發(fā)現(xiàn)紅移量Z與恒星離地球距與恒星離地球距離離R成比，有哈勃紅移公式：成比，有哈勃紅移公式： Z=HR=(H0/C)R 其中其中H0為哈勃常數(shù)。為哈勃常數(shù)。文科文科物理物理(2) 1965年年3K微波

12、背景輻射的發(fā)現(xiàn)，也是大爆炸理論的有微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，也是大爆炸理論的有力論據(jù)。兩位發(fā)現(xiàn)者：美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師彭齊力論據(jù)。兩位發(fā)現(xiàn)者：美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師彭齊亞斯和威爾遜也因此獲得了亞斯和威爾遜也因此獲得了1978年諾貝爾物理學(xué)獎。年諾貝爾物理學(xué)獎。 1989年利用年利用COBE衛(wèi)星進(jìn)一步測得了宇宙背景溫度為：衛(wèi)星進(jìn)一步測得了宇宙背景溫度為： T=2.725K文科文科物理物理 2001年美國航天中心發(fā)射宇宙飛船把年美國航天中心發(fā)射宇宙飛船把“微波各項(xiàng)異性微波各項(xiàng)異性探測器探測器”(MAP)帶入太空，進(jìn)一步測量了宇宙背景輻帶入太空，進(jìn)一步測量了宇宙背景輻射的各向異性和偏振性質(zhì)。認(rèn)為由射的各

13、向異性和偏振性質(zhì)。認(rèn)為由 測量結(jié)果證明了以測量結(jié)果證明了以下幾個事實(shí)下幾個事實(shí)(見頁注見頁注)： (1) 宇宙年齡約宇宙年齡約13.7109年年 (2) 宇宙的空間宇宙的空間時間性質(zhì)是平坦的時間性質(zhì)是平坦的 (3) 哈勃常數(shù)等于哈勃常數(shù)等于71kms-1Mpc-1 (4) 宇宙成分中，普通物質(zhì)只占宇宙成分中，普通物質(zhì)只占4%，另有，另有23%的的“暗暗 物質(zhì)物質(zhì)”，73%的的“暗能量暗能量”，后二者至今不明，后二者至今不明(見見9-7) (5)在大爆炸后約在大爆炸后約2億年，就出現(xiàn)了最早的恒星。億年，就出現(xiàn)了最早的恒星。文科文科物理物理(3) 第三個證明是宇宙的可見物質(zhì)主要是氫和氦，約第三個證

14、明是宇宙的可見物質(zhì)主要是氫和氦，約3/4是是氫，氫，1/4是氦，與理論估計(jì)相符。是氦，與理論估計(jì)相符。(4) 第四個論據(jù)是關(guān)于恒星和星系的演化，第四個論據(jù)是關(guān)于恒星和星系的演化，1990年升空至年升空至今的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已能看到今的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已能看到100億光年外的天體，觀億光年外的天體，觀測發(fā)現(xiàn)那些遙遠(yuǎn)的星很少有重元素，正符合大爆炸理測發(fā)現(xiàn)那些遙遠(yuǎn)的星很少有重元素，正符合大爆炸理論的預(yù)言。論的預(yù)言。(5) 在上節(jié)中哈里森在計(jì)算時已考慮了一個在時間上有限在上節(jié)中哈里森在計(jì)算時已考慮了一個在時間上有限膨脹的宇宙模型和恒星的演化，合理地解釋了夜晚的膨脹的宇宙模型和恒星的演化，合理地解釋了夜晚的

15、天空為什么是黑暗的，也可算是支持大爆炸理論的第天空為什么是黑暗的，也可算是支持大爆炸理論的第五個論據(jù)。五個論據(jù)。文科文科物理物理9.3 9.3 白矮星和中子星白矮星和中子星1. 恒星演化的三種歸宿恒星演化的三種歸宿 白矮星、中子星和黑洞白矮星、中子星和黑洞(9-7)是恒星演化的三種歸宿。是恒星演化的三種歸宿。 恒星在穩(wěn)恒的核燃燒階段時，氫不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぜ案阈窃诜€(wěn)恒的核燃燒階段時，氫不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぜ案氐脑兀茻釟怏w的向外壓強(qiáng)與向內(nèi)收縮的引力達(dá)重的元素，灼熱氣體的向外壓強(qiáng)與向內(nèi)收縮的引力達(dá)到平衡。穩(wěn)恒階段為恒星的到平衡。穩(wěn)恒階段為恒星的“壯年期壯年期”。迄今發(fā)現(xiàn)的。迄今發(fā)現(xiàn)的恒星有恒星有90

16、%處處“壯年期壯年期”。文科文科物理物理 一旦恒星內(nèi)核燃料燒完，引力將引起形體進(jìn)一步收縮，一旦恒星內(nèi)核燃料燒完，引力將引起形體進(jìn)一步收縮，便會在短時間內(nèi)釋放巨大能量，表現(xiàn)為一次超新星爆便會在短時間內(nèi)釋放巨大能量，表現(xiàn)為一次超新星爆發(fā)，程度可達(dá)發(fā)，程度可達(dá)108K。開始由三個氦聚變?yōu)樘迹⒗^續(xù)。開始由三個氦聚變?yōu)樘迹⒗^續(xù)合成較重元素。最后留下一個合成較重元素。最后留下一個“殘骸殘骸”，即一個核心。，即一個核心。這個核心就是恒星的歸宿，有三種可能，這與恒星形這個核心就是恒星的歸宿，有三種可能，這與恒星形成時的初始質(zhì)量成時的初始質(zhì)量M初初及核心的質(zhì)量及核心的質(zhì)量Mcore的大小的大小 有關(guān)，見下表

17、：有關(guān)，見下表： 質(zhì)量比質(zhì)量比核心的性質(zhì)核心的性質(zhì) M初初/M Mcore/M 白矮星白矮星 18 0.41.4 中子星中子星 825 1.43 黑洞黑洞 25 3文科文科物理物理2. 具體說明具體說明(1) 當(dāng)恒星開始時當(dāng)恒星開始時M初初8M (太陽質(zhì)量太陽質(zhì)量)時，爆發(fā)后留下一時，爆發(fā)后留下一個個“白矮星白矮星”，其核心質(zhì)量，其核心質(zhì)量Mcore的上限為的上限為1.4M 。它。它的大小同地球差不多，半徑僅太陽的的大小同地球差不多，半徑僅太陽的1%(所以稱所以稱“矮矮”)。(2) 當(dāng)當(dāng)Mcore超過超過1.4M 而小于而小于3M 時，電子便頂不住引力時，電子便頂不住引力了，于是由過程了，于是

18、由過程e+pn+,形成中子和中微子，后者跑形成中子和中微子，后者跑掉，留下一個核心，它是一顆中子星。星的直徑只有掉，留下一個核心，它是一顆中子星。星的直徑只有1020km,密度高達(dá)密度高達(dá)31017kg/m2像一個巨大的原子核。像一個巨大的原子核。文科文科物理物理 1967年發(fā)現(xiàn)了第一顆中子星年發(fā)現(xiàn)了第一顆中子星脈沖星脈沖星PSR1919。脈。脈沖信號的周期沖信號的周期T=1.337s，即中子星的自轉(zhuǎn)周期。，即中子星的自轉(zhuǎn)周期。(見下見下圖圖)至今發(fā)現(xiàn)的至今發(fā)現(xiàn)的600多顆中子星都在銀河系之內(nèi)。多顆中子星都在銀河系之內(nèi)。文科文科物理物理(3) 當(dāng)恒星開始形成時質(zhì)量大于當(dāng)恒星開始形成時質(zhì)量大于2

19、5M ，且，且Mcore超過超過3M ，就沒有一種已知的力可一定得住引力了，此核心將是就沒有一種已知的力可一定得住引力了，此核心將是一個黑洞。一個黑洞。文科文科物理物理9.4 9.4 宇宙中的宇宙中的X X射線源射線源 在天體物理研究中，宇宙在天體物理研究中，宇宙X X射線的測量極其重要，射線的測量極其重要，X X射射線天文學(xué)得到了發(fā)展，下面做一些介紹線天文學(xué)得到了發(fā)展，下面做一些介紹文科文科物理物理1.X.X射線天文學(xué)的基本困難射線天文學(xué)的基本困難 (1) (1) 來自宇宙的來自宇宙的X X射線幾乎都被地球的大氣層吸收，必射線幾乎都被地球的大氣層吸收，必須在高空中才能探測到宇宙須在高空中才能

20、探測到宇宙X X射線。射線。 (2) (2) 很難從很難從X X射線探測器獲得確定方向的信息，即難以射線探測器獲得確定方向的信息，即難以將探測到將探測到X X射線與任何已知的星體對應(yīng)。為此要求有相射線與任何已知的星體對應(yīng)。為此要求有相當(dāng)高的角分辨率。當(dāng)高的角分辨率。文科文科物理物理2. X射線探測器的發(fā)展和一系列成果射線探測器的發(fā)展和一系列成果 1920年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了X射線的折射確實(shí)存在，盡管它射線的折射確實(shí)存在，盡管它的折射率非常接近的折射率非常接近1，到，到20世紀(jì)中葉，世紀(jì)中葉，“X射線顯微鏡射線顯微鏡”制成了。制成了。1960年賈科尼年賈科尼(在一家美國科學(xué)和工程公司工在

21、一家美國科學(xué)和工程公司工作作)和著名宇宙線物理學(xué)家羅西合作，制成了和著名宇宙線物理學(xué)家羅西合作，制成了“成像成像X射線望遠(yuǎn)鏡射線望遠(yuǎn)鏡”，與，與1962年發(fā)現(xiàn)了太陽之外的年發(fā)現(xiàn)了太陽之外的X射線源。射線源。之后又不斷發(fā)現(xiàn)新的之后又不斷發(fā)現(xiàn)新的X射線源，包括在銀河系之外的射線源，包括在銀河系之外的X射線源。射線源。 1970年在賈科尼建議下制造的年在賈科尼建議下制造的X射線人造衛(wèi)星上天，射線人造衛(wèi)星上天，1977-78年又發(fā)射了兩顆衛(wèi)星，稱高能天體物理實(shí)驗(yàn)室。年又發(fā)射了兩顆衛(wèi)星，稱高能天體物理實(shí)驗(yàn)室。其中一個實(shí)驗(yàn)室又稱愛因斯坦其中一個實(shí)驗(yàn)室又稱愛因斯坦X射線實(shí)驗(yàn)室，由賈科射線實(shí)驗(yàn)室，由賈科尼領(lǐng)導(dǎo)

22、。此衛(wèi)星上載有成像尼領(lǐng)導(dǎo)。此衛(wèi)星上載有成像X射線望遠(yuǎn)鏡，角分辨率射線望遠(yuǎn)鏡，角分辨率達(dá)到達(dá)到2”，且靈敏度高視野廣。，且靈敏度高視野廣。文科文科物理物理 獲得了一系列研究成果：如發(fā)現(xiàn)了星體大爆炸的殘??；獲得了一系列研究成果：如發(fā)現(xiàn)了星體大爆炸的殘?。话l(fā)現(xiàn)了從晚年星體發(fā)射出的發(fā)現(xiàn)了從晚年星體發(fā)射出的X射線與星體的轉(zhuǎn)動及星射線與星體的轉(zhuǎn)動及星體外層的對流有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性；發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)狀的體外層的對流有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性；發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)狀的X射線射線源源(類星體類星體)；找到了；找到了300多個星系團(tuán)，從而提供了宇宙多個星系團(tuán)，從而提供了宇宙中有發(fā)射中有發(fā)射X射線而不發(fā)射可見光的暗物質(zhì)存在的新證射線而不發(fā)射可見光的暗

23、物質(zhì)存在的新證據(jù)等等。據(jù)等等。2002年賈科尼一起開創(chuàng)性工作和杰出貢獻(xiàn)獲年賈科尼一起開創(chuàng)性工作和杰出貢獻(xiàn)獲諾貝爾物理學(xué)獎。諾貝爾物理學(xué)獎。文科文科物理物理9.59.5 射線射線暴暴1. 什么是什么是暴暴 對突發(fā)性對突發(fā)性X射線源的觀察導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)來自非常遙遠(yuǎn)星系射線源的觀察導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)來自非常遙遠(yuǎn)星系的能量更高的的能量更高的射線暴。它是射線暴。它是射線突然增強(qiáng)的短時間射線突然增強(qiáng)的短時間爆發(fā)現(xiàn)象。爆發(fā)現(xiàn)象。2. 暴有如下一些特點(diǎn)：暴有如下一些特點(diǎn)： (1) 射線能量主要在幾個射線能量主要在幾個keV到幾個到幾個MeV范圍，一直范圍，一直衍射到高能衍射到高能(GeV以上以上)。 (2) 暴持續(xù)時間暴持續(xù)

24、時間T最典型的是最典型的是20s左右，也有短到幾毫左右，也有短到幾毫秒長到幾十分的。其隨時間呈復(fù)雜的多峰結(jié)構(gòu)，有明秒長到幾十分的。其隨時間呈復(fù)雜的多峰結(jié)構(gòu)，有明顯變化的時間顯變化的時間T在毫秒左右。在毫秒左右。文科文科物理物理 (3) 暴空間分布是各向同性的，但越遠(yuǎn)越少。這表明暴空間分布是各向同性的，但越遠(yuǎn)越少。這表明暴的源是遠(yuǎn)距離天體，不是銀河系內(nèi)天體。如暴的源是遠(yuǎn)距離天體，不是銀河系內(nèi)天體。如1997年年5月月8日測到一個日測到一個暴，紅移量為暴，紅移量為Z=0.835，用哈勃紅移公，用哈勃紅移公式可得離地球距離式可得離地球距離R100億光年。億光年。 (4) 暴是極強(qiáng)的源，例如暴是極強(qiáng)的

25、源，例如1999年發(fā)現(xiàn)的一個年發(fā)現(xiàn)的一個暴暴Z1.6，紅移量更大，即更遙遠(yuǎn)。在輻射是各向同性假設(shè)下，紅移量更大，即更遙遠(yuǎn)。在輻射是各向同性假設(shè)下，估計(jì)它在估計(jì)它在100秒內(nèi)放出的總能量高達(dá)秒內(nèi)放出的總能量高達(dá)3.41047J。這意。這意味著暴的源一定是與中子星類似的致密天體。味著暴的源一定是與中子星類似的致密天體。文科文科物理物理 暴的巨大能源集中在空間尺度不過暴的巨大能源集中在空間尺度不過100km的范圍，它的范圍，它被認(rèn)為是一個被認(rèn)為是一個“火球火球”。在火球模型研究方面中國科。在火球模型研究方面中國科學(xué)家陸土炎和戴子高等有重要貢獻(xiàn)。學(xué)家陸土炎和戴子高等有重要貢獻(xiàn)。 (5) 暴得能量輻射不

26、是各向同性的，而集中在張角不暴得能量輻射不是各向同性的，而集中在張角不超過超過4的錐形噴注之內(nèi)。也就是我們看不到的的錐形噴注之內(nèi)。也就是我們看不到的暴應(yīng)暴應(yīng)為看到的為看到的1000多倍。同時上面估計(jì)的多倍。同時上面估計(jì)的暴能量太高了，暴能量太高了，應(yīng)降為應(yīng)降為1044J。文科文科物理物理3. 還有不少有關(guān)還有不少有關(guān)暴的問題有待研究暴的問題有待研究 如噴注及如噴注及輻射形成的機(jī)制是什么？為什么噴注張角如輻射形成的機(jī)制是什么？為什么噴注張角如此之小？為什么此之小？為什么暴離我們?nèi)绱酥h(yuǎn)，與暴離我們?nèi)绱酥h(yuǎn)，與X射線源的分射線源的分布布(遍及宇宙各處遍及宇宙各處)和中子星分布和中子星分布(大量在銀

27、河系內(nèi)大量在銀河系內(nèi))完全完全不同？等等。不同？等等。文科文科物理物理9.69.6 黑洞黑洞一、黑洞及其視界 1. 什么是黑洞什么是黑洞 1783年英國科學(xué)家米歇爾最早提出：最重的東西可年英國科學(xué)家米歇爾最早提出：最重的東西可能是看不到的，因?yàn)楣獠ㄋM(jìn)去而逃不出來了。這能是看不到的，因?yàn)楣獠ㄋM(jìn)去而逃不出來了。這個重的東西就是黑洞。在個重的東西就是黑洞。在9.39.3中已提到恒星的質(zhì)量中已提到恒星的質(zhì)量M M初初大于大于2525M M，“死亡死亡”時留下的核心質(zhì)量超過時留下的核心質(zhì)量超過3 3M M時，時，就是黑洞。就是黑洞。 文科文科物理物理2. 一個判別公式一個判別公式 在第二章中在第

28、二章中(2-4-4)給出了一個運(yùn)動物體要脫離地球表給出了一個運(yùn)動物體要脫離地球表面引力所需的最小速度面引力所需的最小速度(即第二宇宙速度即第二宇宙速度)為：為： 顯然，當(dāng)顯然，當(dāng)M很大，很大，R很小時，很小時，V2將超過光速將超過光速(這不可能這不可能)，這表明此物體就不可能脫離重物這表明此物體就不可能脫離重物M而逃出。也就是，而逃出。也就是，一個質(zhì)量為一個質(zhì)量為M的圓球，且半徑的圓球，且半徑R滿足：滿足： 時時,則以速度則以速度c運(yùn)動的光也將被引力彎曲運(yùn)動的光也將被引力彎曲,而吸回去。反而吸回去。反之任何射向此天體的物體或光子之任何射向此天體的物體或光子,都將被吸收都將被吸收,有進(jìn)無出，有進(jìn)

29、無出，這類天體成為黑洞。例太陽質(zhì)量為這類天體成為黑洞。例太陽質(zhì)量為M M,對應(yīng)對應(yīng)rG =3km，即太陽要被壓縮到半徑為即太陽要被壓縮到半徑為3km時才成為黑洞。時才成為黑洞。22GMV =RG22GMR r1)處的一顆恒星的運(yùn)動，有處的一顆恒星的運(yùn)動，有 假定在假定在r1與與r2之間空間基本上是沒有物質(zhì)，即之間空間基本上是沒有物質(zhì)，即M(r1) M(r2) ，則可得出，則可得出u2(r2)u1(r1)的結(jié)論。但實(shí)際上的結(jié)論。但實(shí)際上 u2(r2) 與與u1(r1)差不多，這表明差不多，這表明M(r2) M(r1) ，即在，即在r1 和和r2之間的空間中存在大量不發(fā)光的之間的空間中存在大量不發(fā)

30、光的“暗物質(zhì)暗物質(zhì)”。222222222m u (r )mM (r )= Grr文科文科物理物理(2) 第二個證據(jù)是第二個證據(jù)是“引力透鏡效應(yīng)引力透鏡效應(yīng)”：一個類星體發(fā)出的：一個類星體發(fā)出的光在到達(dá)地球的途中若遇到合適的星系光在到達(dá)地球的途中若遇到合適的星系(或星系團(tuán)或星系團(tuán))作為作為“透鏡透鏡”，會被引力扭曲，而在觀測中形成兩個以上，會被引力扭曲，而在觀測中形成兩個以上的像。觀測分析表明這些的像。觀測分析表明這些“透鏡透鏡”中包含了比發(fā)光物中包含了比發(fā)光物質(zhì)多許多倍的暗物質(zhì)質(zhì)多許多倍的暗物質(zhì)(3) 第三個證據(jù)是，觀測發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)第三個證據(jù)是，觀測發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)(1.54109光光年年)中存在溫度高達(dá)幾百萬度的灼熱氣體，這些灼熱氣中存在溫度高達(dá)幾百萬度的灼熱氣體，這些灼熱氣體所以能被聚集在一起，要靠占質(zhì)量高達(dá)體所以能被聚集在一起，要靠占質(zhì)量高達(dá)87%的暗物的暗物質(zhì)的巨大引力才行。質(zhì)的巨大引力才行。文科文科物理物理(4) 觀測發(fā)現(xiàn)宇宙從大尺度看存在許多不均勻的絲狀和網(wǎng)觀測發(fā)現(xiàn)宇宙從大尺度看存在許多不均勻的絲狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。理論上若假定空間有不