天文學(xué)概論多篇兩篇

第七章中子星和類星體/show/DWHIEm9Vg2wTOC4soMk6hA...html脈沖星、類星體、微波背景輻射和星際有機(jī)分子一道并稱為1960年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”。中子星（NeutronStars）最早提出中子星設(shè)想的是前蘇聯(lián)著名物理學(xué)家朗道（Landau，LevDavidovich1908～1968）。1932年，英國(guó)物理學(xué)家查德威克發(fā)現(xiàn)中子的消息傳到哥本哈根不久，正在丹麥訪問(wèn)的朗道就預(yù)言，可能存在由中子組成的致密星體。1934年，以超新星為主要研究領(lǐng)域的德國(guó)-天文學(xué)家巴德（Baade，Walter1893～1960）和瑞士天文學(xué)家茲維基（Zwicky，F(xiàn)ritz1898～1974）分別提出，在超新星爆發(fā)之后，其核心將形成中子星。中子星1939年，物理學(xué)家奧本海默與沃爾科夫根據(jù)廣義相對(duì)論進(jìn)一步求出了中子星的結(jié)構(gòu)。但是對(duì)中子星觀測(cè)的進(jìn)展卻進(jìn)行得十分緩慢。1967年，英國(guó)科學(xué)家休伊什和他的研究生喬絲琳·貝爾首先發(fā)現(xiàn)了脈沖星。經(jīng)過(guò)計(jì)算，它的脈沖強(qiáng)度和頻率只有像中子星那樣體積小、密度大、質(zhì)量大的星體才能達(dá)到。1968年6月，康奈爾大學(xué)的T.Gold在《自然》雜志上發(fā)表文章，明確指出人們發(fā)現(xiàn)的脈沖星是快速自轉(zhuǎn)的中子星。

這樣，中子星才真正由假說(shuō)成為事實(shí)。脈沖星的發(fā)現(xiàn)

1967年，英國(guó)劍橋新建造了射電望遠(yuǎn)鏡，這是一種新型的望遠(yuǎn)鏡，它的作用是觀測(cè)射電輻射受行星際物質(zhì)的影響。整個(gè)裝置不能移動(dòng)，只能依靠各天區(qū)的周日運(yùn)動(dòng)進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)而進(jìn)行逐條掃描。1967年7月，這臺(tái)儀器正式投入使用，接受波長(zhǎng)為3.7米。用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)并擔(dān)任繁重記錄處理的是休伊什的女博士研究生喬斯琳·貝爾。在觀測(cè)的過(guò)程中，細(xì)心的貝爾小姐發(fā)現(xiàn)了一系列的奇怪的脈沖，這些脈沖的時(shí)間間距精確的相等。貝爾小姐立刻把這個(gè)消息報(bào)告給她的導(dǎo)師休伊什，休伊什認(rèn)為這是受到了地球上某種電波的影響。但是，第二天，也是同一時(shí)間，也是同一個(gè)天區(qū)，那個(gè)神秘的脈沖信號(hào)再次出現(xiàn)。這一次可以證明，這個(gè)奇怪的信號(hào)不是來(lái)自于地球，它確實(shí)是來(lái)自于天外。這是不是外星人向我們發(fā)出的文明信號(hào)呢，新聞媒體對(duì)這個(gè)問(wèn)題投入了極大的熱情，不久，貝爾又發(fā)現(xiàn)了天空中的另外幾個(gè)這樣的天區(qū)，最后終于證明，這是一種新型的還不被人們認(rèn)識(shí)的天體——脈沖星。1974年，這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)，獎(jiǎng)項(xiàng)頒給了休伊什，以獎(jiǎng)勵(lì)他所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了脈沖星。令人遺憾的是，脈沖星的直接發(fā)現(xiàn)者，喬斯琳．貝爾小姐不在獲獎(jiǎng)人員之列。事實(shí)上，在脈沖星的發(fā)現(xiàn)中，起關(guān)鍵作用的應(yīng)該是貝爾小姐的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和極度細(xì)心的觀測(cè)。

輿論一片嘩然。英國(guó)著名天文學(xué)家霍伊爾爵士在倫敦《泰晤士報(bào)》發(fā)表談話，他認(rèn)為，貝爾應(yīng)同休伊什共享諾貝爾獎(jiǎng)，并對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)會(huì)授獎(jiǎng)前的調(diào)查工作欠周密提出了批評(píng)，甚至認(rèn)為此事件是諾貝爾獎(jiǎng)歷史上一樁丑聞、性別歧視案?；粢翣栠€認(rèn)為，貝爾的發(fā)現(xiàn)是非常重要的，但她的導(dǎo)師竟把這一發(fā)現(xiàn)扣壓半年，從客觀上講就是一種盜竊。更有學(xué)者指出，“貝爾小姐作出的卓越發(fā)現(xiàn)，讓她的導(dǎo)師休伊什贏得了諾貝爾物理獎(jiǎng)”。

著名天文學(xué)家曼徹斯特和泰勒所著《脈沖星》一書的扉頁(yè)上寫道：“獻(xiàn)給喬瑟琳·貝爾，沒(méi)有她的聰明和執(zhí)著，我們不能獲得脈沖星的喜悅。”中子星的形成

質(zhì)量超過(guò)錢德拉極限（1.4

Msun）的致密天體可以進(jìn)一步塌縮。

壓力變得如此之大以至于電子和質(zhì)子通過(guò)如下的過(guò)程結(jié)合成穩(wěn)定的中子

:p+e-

n+ne

中子星中子星的性質(zhì)典型大小:R~10km質(zhì)量:M~1.4–3Msun密度:r~1014g/cm3

方糖大小的中子星物質(zhì)即可擁有約~1億噸!!!脈沖星（Pulsars）的發(fā)現(xiàn)=>崩潰的核心以幾毫秒的周期旋轉(zhuǎn)。角動(dòng)量守恒=>一些天體上快速脈沖（光學(xué)和射電）輻射可以解釋成中子星的旋轉(zhuǎn)周期。磁場(chǎng)被放大到~109–1015G.最高是太陽(yáng)上平均磁場(chǎng)的1012

倍。脈沖/中子星維恩（Wien）位移定律CasAinX-rays中子星表面的溫度約1millionK.lmax=3,000,000nm/T[K]

給出最大波長(zhǎng)lmax=3nm,對(duì)應(yīng)于X-rays.脈沖/中子星CasAinX-rays

在一定溫度下，絕對(duì)黑體的與輻射本領(lǐng)最大值相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ和絕對(duì)溫度T的乘積為一常數(shù)，即λ（m）T=b（見圖片）（微米）。維恩（Wien）位移定律脈沖星周期隨著時(shí)間流逝，脈沖星不斷的損失能量和角動(dòng)量。=>脈沖星的旋轉(zhuǎn)逐漸變慢。脈沖星的燈塔模型一顆脈沖星磁場(chǎng)偶極結(jié)構(gòu),就像地球一樣。輻射發(fā)射主要沿磁極。脈沖星和其他中子星帆船座脈沖星正穿過(guò)星際空間。蟹狀星云脈沖星蟹狀星云脈沖星公元1054觀測(cè)到的超新星的遺跡。脈沖星風(fēng)+噴流蟹狀星云脈沖星(2)可見光圖像X射線圖像蟹狀星云脈沖星的光變毫秒中子星的自行一些中子星在星際空間中移動(dòng)迅速。這可能是超新星爆炸形成中子星時(shí)各向異性造成的結(jié)果。雙脈沖星一些脈沖星會(huì)和其他中子星（或黑洞）結(jié)成對(duì)。脈沖星遠(yuǎn)離地球時(shí)其軌道運(yùn)動(dòng)所引起的徑向速度會(huì)延長(zhǎng)脈沖星周期……當(dāng)脈沖星靠近地球時(shí)會(huì)縮短脈沖周期。雙星系統(tǒng)中的中子星:X-ray雙星Example:HerX-12Msun(F-type)starNeutronstarAccretiondiskmaterialheatstoseveralmillionK=>X-rayemission中子星和吸積盤周期性被蝕Orbitalperiod=

1.7days脈沖星行星有些脈沖星周圍有行星。類似脈沖星雙星,這可以通過(guò)亮度變化發(fā)現(xiàn)脈沖星的周期。當(dāng)行星繞脈沖星轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它們會(huì)引起脈沖星搖擺，導(dǎo)致觀測(cè)到的脈沖星的周期輕微的變化。中子星——黑洞就像白矮星(錢德拉塞卡極限:1.4Msun),中子星也有一個(gè)質(zhì)量限制:中子星的質(zhì)量不能超過(guò)>3Msun我們知道沒(méi)有任何一種機(jī)制可以阻止質(zhì)量>3Msun.的致密天體塌縮。它會(huì)塌縮成一個(gè)簡(jiǎn)單地點(diǎn)-奇點(diǎn):=>一個(gè)黑洞!類星體（Qusar）類星體，又稱為似星體、魁霎或類星射電源，與脈沖星、微波背景輻射和星際有機(jī)分子一道并稱為1960年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”。

1960年天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了射電源3C48的光學(xué)對(duì)應(yīng)體是一個(gè)視星等為16等的恒星狀天體，周圍有很暗的星云狀物質(zhì)。令人不解的是光譜中有幾條完全陌生的譜線。1962年，又發(fā)現(xiàn)了在射電源3C273的位置上有一顆13等的“恒星”。使天文學(xué)家同樣困惑的是其光譜中的譜線也不尋常。--------類星電波源類星體的發(fā)現(xiàn)

1963年，年青的荷蘭天文學(xué)家M.Schmit認(rèn)出了3C273譜線的真面目，原來(lái)它們是氫原子的譜線，只不過(guò)經(jīng)歷了很大的紅移，使得譜線不易證認(rèn)。循著紅移這條線索，再去分析3C48的光譜，得出它的紅移量還要更大。

1965年A.Sandage發(fā)現(xiàn)許多類星體，它們的光學(xué)性質(zhì)和類星電波源相同；都有緊密的結(jié)構(gòu)，極亮的表面及藍(lán)的顏色；但它們卻沒(méi)有輻射無(wú)線電波（或是太弱了，而沒(méi)被測(cè)到），因此可將它們分為兩類：類星電波源QSR’s（quasars）：能用光學(xué)及電波段測(cè)出，這類比較少，占類星體總數(shù)的1/20。類星體QSO's（quasistellarobjects）：電波較弱，只能以光學(xué)測(cè)出。統(tǒng)稱類星體。類星體的命名類星體的命名統(tǒng)一在前面冠以類星體的英文縮寫QSO，然后加上類星體在天球上的位置坐標(biāo)。例如：QSO01335+33。

類星體的顯著特點(diǎn)是具有很大的紅移，表示它正以飛快的速度在向地球遠(yuǎn)離。類星體離地球很遠(yuǎn)，大約在100億光年以外，可能是目前所發(fā)現(xiàn)最遙遠(yuǎn)的天體，天文學(xué)家能看到類星體，是因?yàn)樗鼈円怨?、無(wú)線電波或X射線的形式發(fā)射出巨大的能量。類星體特點(diǎn)類星體在照相底片上呈現(xiàn)類似恒星的像，即星狀的小點(diǎn)。類星體光譜中有許多強(qiáng)而寬的發(fā)射線，最常出現(xiàn)的是氫、氧、碳、鎂等元素的譜線。類星體發(fā)出很強(qiáng)的紫外輻射，因此顏色顯得很藍(lán)（被稱為藍(lán)星體）。此外，類星體的紅外輻射也非常強(qiáng)。類恒星射電源發(fā)出強(qiáng)烈的非熱射電輻射。射電結(jié)構(gòu)一般呈雙源型。類星體一般都有光變。大部分類星體的光度都在幾年里發(fā)生明顯變化。類星體光譜的發(fā)射線都有巨大的紅移。一些類星體還發(fā)出很強(qiáng)的X射線。類星體-特點(diǎn)類星體的本質(zhì)類星體雖然看上去很像恒星，實(shí)際上和恒星有本質(zhì)的差別。銀河系內(nèi)的恒星除了射電脈沖星外，它們的射電輻射都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及類星體。恒星的光譜有紅移也有藍(lán)移，類星體的光譜是清一色的紅移，而且都非常大。在銀河系內(nèi)沒(méi)有找到具有類星體特性的天體。

類星體是一種光度極高、距離極遠(yuǎn)的奇異天體。越來(lái)越多的證據(jù)顯示，類星體實(shí)際是一類活動(dòng)星系核(AGN)。而普遍認(rèn)可的一種活動(dòng)星系核模型認(rèn)為，在星系的核心位置有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，在黑洞的強(qiáng)大引力作用下，附近的塵埃、氣體以及一部分恒星物質(zhì)圍繞在黑洞周圍，形成了一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的巨大的吸積盤。在吸積盤內(nèi)側(cè)靠近黑洞視界的地方，物質(zhì)掉入黑洞里，伴隨著巨大的能量輻射，形成了物質(zhì)噴流。而強(qiáng)大的磁場(chǎng)又約束著這些物質(zhì)噴流，使它們只能夠沿著磁軸的方向，通常是與吸積盤平面相垂直的方向高速噴出。如果這些噴流剛好對(duì)著觀察者，就能觀測(cè)到類星體?；顒?dòng)星系核說(shuō)這是幾個(gè)不同類型的恒星系，每個(gè)星系中心都包含一個(gè)類星體(HST)能源之謎和速度之謎類星體的光度是整個(gè)銀河系總光度的100倍，甚至十萬(wàn)倍。銀河系的直徑達(dá)10萬(wàn)光年，而類星體的直徑小于4光年。熱核反應(yīng)機(jī)制已不能提供。類星體的產(chǎn)能機(jī)制是什么？目前仍是一個(gè)謎。根據(jù)紅移可以計(jì)算出類星體的速度，最大達(dá)到6.28，速度竟達(dá)到光速的96%。一個(gè)巨大的星體的運(yùn)動(dòng)速度能有這么高天文學(xué)家無(wú)法解釋。對(duì)類星體巨大的紅移尚有多種解釋：宇宙學(xué)紅移，即認(rèn)為紅移是由于類星體的退行產(chǎn)生的，反映了宇宙的膨脹；引力紅移，認(rèn)為是大質(zhì)量天體的強(qiáng)引力場(chǎng)造成的引力紅移；多普勒紅移。現(xiàn)在天文學(xué)家正在尋找和類星體有物理聯(lián)系的天體以確定類星體的距離。紅移的本質(zhì)擺脫困境途徑之一：非宇宙學(xué)紅移宇宙學(xué)紅移把紅移看出天體離我們遠(yuǎn)去造成的，這與宇宙膨脹的觀測(cè)一致。距離太遠(yuǎn)，光度特別巨大。不把紅移看成是退行所致，就能擺脫困境。星體離我們不那么遙遠(yuǎn)，光度就小得多了。目前有一些觀測(cè)證據(jù)，但不充分。引力可以產(chǎn)生紅移，不足以產(chǎn)生類星體那樣大的紅移。期待研究出新的產(chǎn)生紅移的機(jī)制。引力透鏡緩解星體能源的困惑這張哈勃照片展示了由一個(gè)類星體星系造成的特殊十字型引力透鏡現(xiàn)象(HST)。引力透鏡原理兩個(gè)靠得很近得類星體，一模一樣，紅移、連續(xù)光譜、譜線等幾乎完全一樣。在類星體得近旁有一個(gè)紅移為0.36的星系。這個(gè)星系的引力使它后面的類星體的光偏轉(zhuǎn)，形成兩個(gè)虛像。引力透鏡緩解星體能源的困難引力透鏡的觀測(cè)事實(shí)支持類星體紅移是宇宙學(xué)的結(jié)論。引力透鏡的發(fā)現(xiàn)也大大緩解了類星體能源的困惑。遙遠(yuǎn)類星體中可能有多達(dá)1/3是被引力透鏡放大了，其亮度可能增加了10倍甚至100倍。因此類星體的實(shí)際亮度可能低得多。解釋類星體的能源“黑洞說(shuō)”類星體是劇烈活動(dòng)的星系核，星系核中包含一個(gè)巨型黑洞。黑洞不斷吸食它周圍物質(zhì)，這些被黑洞吸入時(shí)，釋放引力能，變成可見光、無(wú)線電波、X射線、伽馬射線等波段的輻射。

要解釋觀測(cè)到得類星體光度，要求類星體包含著30億分太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，這個(gè)黑洞每年要吞食100個(gè)太陽(yáng)系的物質(zhì)。黑洞假說(shuō)：類星體的中心是一個(gè)巨大的黑洞，它不斷地吞噬周圍的物質(zhì)，并且輻射出能量。白洞假說(shuō)：與黑洞一樣，白洞同樣是廣義相對(duì)論預(yù)言的一類天體。與黑洞不斷吞噬物質(zhì)相反，白洞源源不斷的輻射出能量和物質(zhì)。反物質(zhì)假說(shuō)：認(rèn)為類星體的能量來(lái)源于宇宙中的正反物質(zhì)的湮滅。巨型脈沖星假說(shuō)：認(rèn)為類星體是巨型的脈沖星，磁力線的扭結(jié)造成能量