《永恒世界與黑洞》PPT課件

1、永恒世界與黑洞 制作：房星一、恒星世界一、恒星世界恒星是熊熊燃燒的火球，依靠熱核反應產(chǎn)生的能量，能恒星是熊熊燃燒的火球，依靠熱核反應產(chǎn)生的能量，能夠在相當長的時間內(nèi)穩(wěn)定地發(fā)光發(fā)熱。夠在相當長的時間內(nèi)穩(wěn)定地發(fā)光發(fā)熱。恒星的距離遠（仙女座星云距離約為恒星的距離遠（仙女座星云距離約為200萬光年）萬光年）恒星的體積相差較大（由太陽直徑的幾百甚至一、二千恒星的體積相差較大（由太陽直徑的幾百甚至一、二千倍直到不及太陽的十分之一）。倍直到不及太陽的十分之一）。恒星的質(zhì)量差異很大（太陽的質(zhì)量的恒星的質(zhì)量差異很大（太陽的質(zhì)量的120倍到倍到0.1倍）。倍）。恒星的密度差異很驚人（大多數(shù)恒星在水密度的恒星的密度

2、差異很驚人（大多數(shù)恒星在水密度的1/10010倍之間。）倍之間。）恒星的壽命差別很大（一般來說，質(zhì)量越大，壽命越短。恒星的壽命差別很大（一般來說，質(zhì)量越大，壽命越短。一百多億年到幾百萬、幾千萬年。）一百多億年到幾百萬、幾千萬年。） 光度光度 恒星的發(fā)光強度稱為光度。就是指從恒星表面以光的形恒星的發(fā)光強度稱為光度。就是指從恒星表面以光的形式輻射出的功率。式輻射出的功率。 恒星表面的溫度越低，它的光越偏紅：溫度越高，光則恒星表面的溫度越低，它的光越偏紅：溫度越高，光則越偏藍。越偏藍。 表面溫度越高，表面積越大，光度就越大。光度最大的表面溫度越高，表面積越大，光度就越大。光度最大的恒星，可達太陽光度

3、的恒星，可達太陽光度的100萬倍；而光度最小的恒星，萬倍；而光度最小的恒星，約只有太陽光度的約只有太陽光度的100萬分之一。萬分之一。 在天文學中，把光度大的恒星，稱為矮星。光度比通常在天文學中，把光度大的恒星，稱為矮星。光度比通常的巨星還要大的恒星，則稱為超巨星。的巨星還要大的恒星，則稱為超巨星。 從圖中可以看出，熾熱明亮的藍巨星位于從圖中可以看出，熾熱明亮的藍巨星位于左上方，而比較冷且暗的紅矮星分布在圖左上方，而比較冷且暗的紅矮星分布在圖的右下角。的右下角。90%90%的恒星都位于從左上方到右的恒星都位于從左上方到右下方的一條很窄的帶上，這條窄帶就叫下方的一條很窄的帶上，這條窄帶就叫“主星

4、序主星序”。處于。處于“主星序主星序”上的恒星被上的恒星被稱為主序星，它們都處于一生中的氫核反稱為主序星，它們都處于一生中的氫核反應階段。當恒星核的氫燒完后，它們就離應階段。當恒星核的氫燒完后，它們就離開主序，開始了氦核反應繼而成為紅巨星。開主序，開始了氦核反應繼而成為紅巨星。最終紅巨星坍縮，溫度上升，成為白矮星。最終紅巨星坍縮，溫度上升，成為白矮星。根據(jù)恒星的溫度或顏色可把恒星分成根據(jù)恒星的溫度或顏色可把恒星分成O O、B B、A A、F F、G G、K K、M M表示的七種類型。表示的七種類型。O O型的型的熱的藍星，熱的藍星，M M型則是較冷的紅星。型則是較冷的紅星。恒星起源和演化分為四

5、個階段：恒星起源和演化分為四個階段：1. 引力收縮階段引力收縮階段恒星的幼年期（恒星的幼年期（“星胚星胚”）恒星產(chǎn)生于原始的分子星云（如圖）。天體是大恒星產(chǎn)生于原始的分子星云（如圖）。天體是大量物質(zhì)的凝聚，引力使天體物質(zhì)凝聚收縮時就量物質(zhì)的凝聚，引力使天體物質(zhì)凝聚收縮時就要釋放放出能量。要釋放放出能量。最年輕的行星狀星云2. 主序星階段主序星階段恒星的中年期：恒星的中年期：恒星恒星“點燃點燃”后，核反應的外爆輻射壓力與恒星的自后，核反應的外爆輻射壓力與恒星的自身引力平衡，使恒星處于不收縮也不膨脹的相對平衡身引力平衡，使恒星處于不收縮也不膨脹的相對平衡狀態(tài)，同時還向外輻射巨大的能量。這是恒星一生

6、中狀態(tài)，同時還向外輻射巨大的能量。這是恒星一生中最為壯麗輝煌的中青期，最為壯麗輝煌的中青期，“主序星階段主序星階段”。3.紅巨星階段紅巨星階段恒星的老年期：恒星的老年期：當核心的氫逐漸耗盡而形成當核心的氫逐漸耗盡而形成“氦核氦核”時，引力重壓沒時，引力重壓沒有輻射壓平衡，星體中心區(qū)被壓縮，使緊貼有輻射壓平衡，星體中心區(qū)被壓縮，使緊貼“氦核氦核”周圍尚未燃燒的氫氦混合氣體受熱，又使氦核外的氫周圍尚未燃燒的氫氦混合氣體受熱，又使氦核外的氫進一步點燃。這使得氦球逐漸增大，氫燃燒層也向外進一步點燃。這使得氦球逐漸增大，氫燃燒層也向外擴展，從而使星體外層物質(zhì)受熱膨脹起來變?yōu)榧t星。擴展，從而使星體外層物質(zhì)

7、受熱膨脹起來變?yōu)榧t星。4.白矮星和中子星階段白矮星和中子星階段恒星的臨終期：恒星的臨終期： 紅巨星或超巨星內(nèi)部能產(chǎn)生熱核反應的物質(zhì)都耗盡時，紅巨星或超巨星內(nèi)部能產(chǎn)生熱核反應的物質(zhì)都耗盡時，它的末日也就來臨。此時，根據(jù)質(zhì)量的不同，恒星分別它的末日也就來臨。此時，根據(jù)質(zhì)量的不同，恒星分別演化為演化為“白矮星白矮星”、“中子星中子星”、“黑洞黑洞”。 質(zhì)量小于質(zhì)量小于3.5個太陽，演變成為白矮星個太陽，演變成為白矮星氦用完后，恒星的核將開始收縮，剩余的氦又開始燃燒，氦用完后，恒星的核將開始收縮，剩余的氦又開始燃燒，致使它的外殼再度膨脹，并且向外層空間拋射物質(zhì)，形致使它的外殼再度膨脹，并且向外層空間拋

8、射物質(zhì)，形成一個成一個“行星狀星云行星狀星云”，而其星核再次坍縮。當星核的，而其星核再次坍縮。當星核的密度達到密度達到100g/cm3時，其中的電子被擠壓到了不能再時，其中的電子被擠壓到了不能再緊密的地步，坍縮緊密的地步，坍縮也就停止了。等到這個垂死的恒星將也就停止了。等到這個垂死的恒星將它的外殼全部拋出后，它的核就裸露出來了。這個核是它的外殼全部拋出后，它的核就裸露出來了。這個核是熾熱的，溫度約為攝氏兩萬五千度，但體積卻特別小，熾熱的，溫度約為攝氏兩萬五千度，但體積卻特別小，只有地球那么大，被稱之為只有地球那么大，被稱之為“白矮星白矮星”?，F(xiàn)在已經(jīng)觀測。現(xiàn)在已經(jīng)觀測到的白矮星有到的白矮星有1

9、000顆以上。顆以上。白矮星 由于宇宙中一半以上的恒量擁有伴星，如果其中由于宇宙中一半以上的恒量擁有伴星，如果其中的一顆成了白矮星，另一顆是主序星，那么白矮的一顆成了白矮星，另一顆是主序星，那么白矮星就會從它的伴星中拽出物質(zhì)。物質(zhì)在白矮星周星就會從它的伴星中拽出物質(zhì)。物質(zhì)在白矮星周圍聚集，達到很高的溫度，發(fā)生核聚變并且發(fā)生圍聚集，達到很高的溫度，發(fā)生核聚變并且發(fā)生強烈的輻射，稱這種現(xiàn)象為強烈的輻射，稱這種現(xiàn)象為“新星新星”，這樣的雙，這樣的雙星系統(tǒng)叫做星系統(tǒng)叫做“密近雙星密近雙星”。 大質(zhì)量恒星在經(jīng)歷了超巨星階段就可能發(fā)生超新大質(zhì)量恒星在經(jīng)歷了超巨星階段就可能發(fā)生超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)后大約要

10、經(jīng)過一年的時間漸星爆發(fā)。超新星爆發(fā)后大約要經(jīng)過一年的時間漸漸暗淡下來，遺留下爆發(fā)后的星云狀遺跡，被稱漸暗淡下來，遺留下爆發(fā)后的星云狀遺跡，被稱為為“超新星遺跡超新星遺跡”。剩余的那個已經(jīng)死亡的恒星。剩余的那個已經(jīng)死亡的恒星核便由其質(zhì)量決定而生成為中子星或者黑洞。核便由其質(zhì)量決定而生成為中子星或者黑洞。 中國南宋的天象官最早觀測到的一次超新星爆發(fā)的記載及其產(chǎn)物“蟹妝星云”的照片 二、黑洞 1.科學家的預言 （1）.拉普拉斯預言的黑洞 1798年，法國天文家拉普拉斯提出： 一個密度如地球而直徑為太陽550倍的天體，通過引力的吸引作用，可以將全部光線捕獲，成為不可見的天體，成為人們看不見的“黑洞”。

11、拉普拉斯的預言初看好像很“離奇”，其實它是建立在牛頓經(jīng)典力學基礎上的。 衛(wèi)星能繞地球運行的發(fā)射速度“第一宇宙速度” V=7.9km/s 飛船脫離地球的發(fā)射速度“第二宇宙速度” V=11.2km/s 飛船脫離太陽的發(fā)射速度“第三宇宙速度” V=16.7kn/s 如果一個天體，質(zhì)量很大而半徑很小，則它的“表面脫離速度”就可達到光速；連從它表面發(fā)射的光也要被引力吸住而跑不出去，那么其它運動物體也都跑不脫。這個天體就是黑洞。 廣義相對論預言，一定質(zhì)量的天體，將對周圍的空間產(chǎn)生影響而是使他們“彎曲”。彎曲的空間會迫使其附近的光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 例如太陽就會使經(jīng)過其邊緣的遙遠星體光線發(fā)生1.75弧秒的偏轉(zhuǎn)。由

12、于太陽的光太強，人們無法觀看太陽附近的情景。1919年，一個英國日全考察隊終于觀測到太陽附近的引力偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，愛因斯坦因此成了家喻戶曉的”明星“。 （2）史瓦西預言的黑洞 德國天文學家史瓦西通過計算愛因斯坦引力方程后預言：如果將大量物質(zhì)集中于空間一點，其周圍會產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在質(zhì)點的周圍存在一個界面“視界”一旦進入這個界面，即使光也無法逃脫。這種“不可思議的天體”后來被美國物理學家命名為“黑洞”。 黑洞的主要特征 它有很強的引力，不斷吞噬大量的星際物質(zhì)；一些物質(zhì)在它周圍急速運行，軌跡會發(fā)生變化，形成圓形的物質(zhì)環(huán)； 它周圍有很大的能量輻射，不斷發(fā)出極強的X射線和Y射線； 它極大的引力使光線在它附

13、近也會發(fā)生強烈的彎曲； 它的內(nèi)部連一絲光線也透不出來 2.黑洞的觀測與發(fā)現(xiàn) （1）天鵝座X1的雙星系統(tǒng) 天鵝座X1：是一個雙星系統(tǒng)，可見恒星是一顆質(zhì)量25倍40倍太陽的高溫藍色的超巨星；看不見的伴星質(zhì)量約為7倍太陽，體積卻非常小，是一顆處于天鵝座X1位置的，不發(fā)光而發(fā)射出強烈X射線的奇異天體，它們在太空中互相圍繞著旋轉(zhuǎn)。據(jù)推測，這個奇異天體正在吸取可見星的氣體物質(zhì)，并將之加熱到幾百萬K，稱為X射線源。該奇異已經(jīng)超過了黑洞質(zhì)量的“理論界限”，大概就是一個黑洞。天鵝座X1 （2）第二個可能的黑洞 第二個可能的黑洞在銀河系附近的一個星系中發(fā)現(xiàn)的。天文學家確認，這個星系的X射線源LMCX3中含有一顆質(zhì)

14、量大約為10個太陽質(zhì)量的黑洞，它與另一顆普通的星組成一個雙星系統(tǒng)。這顆密暗星就是第二個可能的黑洞 （3）麒麟座X射線新星A062000 1986年1月，在美國天文學會的休斯頓會議上，麥克林托克和雷米拉德宣布，他們發(fā)現(xiàn)了麒麟座X射線新星A062000，它的質(zhì)量至少是太陽質(zhì)量的3倍，是目前發(fā)現(xiàn)的離地球最近的可能黑洞。這是迄今被發(fā)現(xiàn)的第三個黑洞恒星。 黑洞家族 （1）史瓦西黑洞：屬于“尋常黑洞”，由恒星演化而來 （2）大黑洞：由爆發(fā)星系、類星體所形成的黑洞 （3）原始黑洞（小黑洞）：是20世紀70年代由霍金提出來的，質(zhì)量比2個太陽小得多。霍金還證明了小黑洞通過所謂“隧道效應”可以發(fā)射出物質(zhì)和輻射。 （4）蘇聯(lián)（物)特洛緬柯于1991年提出了“微型黑洞存在一切空間”的假說。他認為這種微型黑洞在地球也存在。例如美國