天体物理学的新发展简介.PPT

3. “黑洞不黑” 英国科学家霍金于1974年首先证明：一个质量为M的黑洞，会自动地在视界(半径rG处)表面外侧发出各种粒子，这些粒子具有热辐射谱，相同一个温度T，它等于： 霍金辐射极其微弱，一般可忽略不计。但随黑洞质量不断减小。温度会急剧上升，辐射越来越强，直至黑洞消失为止。 二、小黑洞—恒星演化的一种结局 中子星与黑洞是恒星的两种结局。中子星在观测上表现为脉冲星，且有严格的周期性可观测到。黑洞怎样才能被发现呢？由于中子星和黑洞都有可能性与一个“伴星”组成“双星系统”，于是科学家就有可能通过能发光的伴星的轨道，周期和谱线来分析发现看不见的主星黑洞，从伴星发生辐射谱线的引力红移可以计算出黑洞的质量。目前在银河系内至少有10个事例已被认定与“黑洞”对应。 * 第九章 天体物理学的新发展(简介) 德国哲学家康德说过：“世界上有两件东西能够深深地震撼我们的心灵：一件是我们心中崇高的道德准则；另一件是我们头顶上灿烂的星空”。 物质结构按其空间尺度和质量大小可分为微观、宏观和宇观三大层次。在宇观层次中，是包括从小行星开始，经过行星，恒星，星系，星系团，超级星系，直到可观察的宇宙。 和电磁相互作用不同，万有引力相互作用不能屏蔽和中和，所以随着质量的增加，逐渐成为占支配地位的相互作用。 60年代以来宇观领域的结构，性质，规律和演化已逐渐成为近代物理学研究的基本问题和前沿问题。 本章将着重介绍当前人们所关心的天体物理学方面的一些新的进展。 §9.1 夜晚的天空为什么是黑暗的？ 早在1720年到1823年期间英、法、德三国各有一位天文家(分别是哈雷，切西亚赫，奥尔勃斯)提出了如下命题：如果恒星大体上均匀分布于无限的宇宙空间，我们从任何一个方向上去看，总会看到一颗星，因而总是亮的，而不是黑暗的。换句话说，夜晚的天空到处都应该同太阳表面一样明亮！但事实远非如此。后来这命题被称为“奥尔勃斯佯谬”。 1.一种解释 1946年，哈里森研究指出，在上述命题中，一个根本的错误是假定了恒星一直在发光。实际上一个恒星从星际弥漫物质中开始形成，到发光，到内部核燃料烧完，最后恒星演化归宿到白矮星、中子星(见§9.3)或星洞。从生到死有一定寿命。一般估计恒星发光寿命约t*≈100亿年(1010年)，它远比光离开恒星表面后到波吸收所所经过的平均时间 (约1023年)小得多(t* )。 哈里森的计算表明：不考虑恒星有寿命时，星光传到我们所在处叠加起来的总的辐射能量密度u等于一颗恒星表面的辐射能量密度u*。考虑到有寿命时，则： 可见u很小，观察不到。 2. 另一种解释 1964年也发现宇宙微波背景辐射充满宇宙空间，相当温度T ≈3K的黑体辐射。假如我们认为这种背景辐射就是来自宇宙一切黑体贡献的总和，则由黑体辐射能量密度公式，可估计u值： 其中σT 4为黑体的总辐射本领(见6-1-5式)。 也可用 求得恒星表面的u*值，取 T*≈6000K(太阳表面温度)可得： 两种估计大致相符，这恐怕不是偶然的。 §9.2 宇宙大爆炸理论，哈勃红移，宇宙微波背景辐射及其他 1. 宇宙大爆炸理论 1948年物理学家伽莫夫首先提出：宇宙是从一个高宽度的火球爆炸开始的。但直到20世纪60年代初还很少有人相信。当时的一个主要根据是哈勃红移。孩子到1965年3K微波背景辐射的发现，才使上述假设逐步发展成为被公认的理论。 大爆炸理论基本思想大致如下： 约在距今137亿年前，爆炸从一个密度无限大的奇点开始→约 后，后一个特别快速的膨胀过程(称暴胀 )，当膨胀变慢后，宇宙充满了夸克和电子等基本粒子→到 时，夸克结合成中子和质子等强子，他们约在3分钟后形成原子核→约38万年后，宇宙以冷却到温度为4000K左右，质子能俘获电子而形成中性的氢原子，这时原来从大爆炸产生的光子开始自由地运动而充满宇宙空间→50亿年后，星系形成，太阳系形成→100亿年后，宇宙温度冷却到2.7K，出现人类活动。(见下图) 2. 大爆炸理论的5个依据 哈勃红移——1929年起，科学家测得遥远恒星发出的光谱线普遍存在一种“红移”现象，称哈勃红移。这是由于恒星以速度v远离地球所造成的。根据多普勒效应，光源远离地球时，地球上的观察者测得的表现频率将减小，即波长增大，成为红移。红移量定义为：