《永恒世界與黑洞》PPT課件

1、2021/4/21永恒世界與黑洞 制作：房星2021/4/22一、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(yīng)產(chǎn)生的能量，能恒星是熊熊燃燒的火球，依靠熱核反應(yīng)產(chǎn)生的能量，能夠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地發(fā)光發(fā)熱。夠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地發(fā)光發(fā)熱。恒星的距離遠(yuǎn)（仙女座星云距離約為恒星的距離遠(yuǎn)（仙女座星云距離約為200萬(wàn)光年）萬(wàn)光年）恒星的體積相差較大（由太陽(yáng)直徑的幾百甚至一、二千恒星的體積相差較大（由太陽(yáng)直徑的幾百甚至一、二千倍直到不及太陽(yáng)的十分之一）。倍直到不及太陽(yáng)的十分之一）。恒星的質(zhì)量差異很大（太陽(yáng)的質(zhì)量的恒星的質(zhì)量差異很大（太陽(yáng)的質(zhì)量的120倍到倍到0.1倍）。倍）。恒星的密度差異很

2、驚人（大多數(shù)恒星在水密度的恒星的密度差異很驚人（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(lái)說(shuō)，質(zhì)量越大，壽命越短。恒星的壽命差別很大（一般來(lái)說(shuō)，質(zhì)量越大，壽命越短。一百多億年到幾百萬(wàn)、幾千萬(wàn)年。）一百多億年到幾百萬(wàn)、幾千萬(wàn)年。）2021/4/23 光度光度 恒星的發(fā)光強(qiáng)度稱為光度。就是指從恒星表面以光的形恒星的發(fā)光強(qiáng)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(lán)。越偏藍(lán)。 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

3、，表面積越大，光度就越大。光度最大的恒星，可達(dá)太陽(yáng)光度的恒星，可達(dá)太陽(yáng)光度的100萬(wàn)倍；而光度最小的恒星，萬(wàn)倍；而光度最小的恒星，約只有太陽(yáng)光度的約只有太陽(yáng)光度的100萬(wàn)分之一。萬(wàn)分之一。 在天文學(xué)中，把光度大的恒星，稱為矮星。光度比通常在天文學(xué)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。2021/4/242021/4/25 從圖中可以看出，熾熱明亮的藍(lán)巨星位于從圖中可以看出，熾熱明亮的藍(lán)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

4、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(yīng)階段。當(dāng)恒星核的氫燒完后，它們就離應(yīng)階段。當(dāng)恒星核的氫燒完后，它們就離開主序，開始了氦核反應(yīng)繼而成為紅巨星。開主序，開始了氦核反應(yīng)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

5、型的型的熱的藍(lán)星，熱的藍(lán)星，M M型則是較冷的紅星。型則是較冷的紅星。2021/4/26恒星起源和演化分為四個(gè)階段：恒星起源和演化分為四個(gè)階段：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(shí)大量物質(zhì)的凝聚，引力使天體物質(zhì)凝聚收縮時(shí)就要釋放放出能量。就要釋放放出能量。2021/4/27最年輕的行星狀星云2021/4/282. 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(diǎn)燃點(diǎn)燃”后，核反應(yīng)的外爆輻射壓力與恒星的自后，核反應(yīng)的外爆輻射壓力與恒星的

6、自身引力平衡，使恒星處于不收縮也不膨脹的相對(duì)平衡身引力平衡，使恒星處于不收縮也不膨脹的相對(duì)平衡狀態(tài)，同時(shí)還向外輻射巨大的能量。這是恒星一生中狀態(tài)，同時(shí)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(dāng)核心的氫逐漸耗盡而形成當(dāng)核心的氫逐漸耗盡而形成“氦核氦核”時(shí)，引力重壓沒(méi)時(shí)，引力重壓沒(méi)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(jìn)一步點(diǎn)燃。這使得氦球逐

7、漸增大，氫燃燒層也向外進(jìn)一步點(diǎn)燃。這使得氦球逐漸增大，氫燃燒層也向外擴(kuò)展，從而使星體外層物質(zhì)受熱膨脹起來(lái)變?yōu)榧t星。擴(kuò)展，從而使星體外層物質(zhì)受熱膨脹起來(lái)變?yōu)榧t星。2021/4/294.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(yīng)的物質(zhì)都耗盡時(shí)，紅巨星或超巨星內(nèi)部能產(chǎn)生熱核反應(yīng)的物質(zhì)都耗盡時(shí)，它的末日也就來(lái)臨。此時(shí)，根據(jù)質(zhì)量的不同，恒星分別它的末日也就來(lái)臨。此時(shí)，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(gè)太陽(yáng)，演變成為白矮星個(gè)太陽(yáng)，演變成為白矮星氦用完后，恒星的核將開始收縮，

8、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，并且向外層空間拋射物質(zhì)，形成一個(gè)成一個(gè)“行星狀星云行星狀星云”，而其星核再次坍縮。當(dāng)星核的，而其星核再次坍縮。當(dāng)星核的密度達(dá)到密度達(dá)到100g/cm3時(shí)，其中的電子被擠壓到了不能再時(shí)，其中的電子被擠壓到了不能再緊密的地步，坍縮也就停止了。等到這個(gè)垂死的恒星將緊密的地步，坍縮也就停止了。等到這個(gè)垂死的恒星將它的外殼全部拋出后，它的核就裸露出來(lái)了。這個(gè)核是它的外殼全部拋出后，它的核就裸露出來(lái)了。這個(gè)核是熾熱的，溫度約為攝氏兩萬(wàn)五千度，但體積卻特別小，熾熱的，溫

9、度約為攝氏兩萬(wàn)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(cè)。現(xiàn)在已經(jīng)觀測(cè)到的白矮星有到的白矮星有1000顆以上。顆以上。2021/4/210白矮星2021/4/211 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(huì)從它的伴星中拽出物質(zhì)。物質(zhì)在白矮星周星就會(huì)從它的伴星中拽出物質(zhì)。物質(zhì)在白矮星周圍聚集，達(dá)到很高的溫度，發(fā)生核聚變并且發(fā)生圍聚集，達(dá)到很高的溫度，發(fā)生核聚變并且發(fā)生強(qiáng)烈的輻射，稱這種現(xiàn)象為強(qiáng)烈的輻射，稱

10、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”。2021/4/212 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)后大約要經(jīng)過(guò)一年的時(shí)間漸星爆發(fā)。超新星爆發(fā)后大約要經(jīng)過(guò)一年的時(shí)間漸漸暗淡下來(lái)，遺留下爆發(fā)后的星云狀遺跡，被稱漸暗淡下來(lái)，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(gè)已經(jīng)死亡的恒星。剩余的那個(gè)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。2021/4/213 中國(guó)南宋的天象官最早觀測(cè)到的一次超新星爆發(fā)的記載及其產(chǎn)物“蟹

11、妝星云”的照片2021/4/214 二、黑洞 1.科學(xué)家的預(yù)言 （1）.拉普拉斯預(yù)言的黑洞 1798年，法國(guó)天文家拉普拉斯提出： 一個(gè)密度如地球而直徑為太陽(yáng)550倍的天體，通過(guò)引力的吸引作用，可以將全部光線捕獲，成為不可見(jiàn)的天體，成為人們看不見(jiàn)的“黑洞”。拉普拉斯的預(yù)言初看好像很“離奇”，其實(shí)它是建立在牛頓經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上的。2021/4/215 衛(wèi)星能繞地球運(yùn)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(yáng)的發(fā)射速度“第三宇宙速度” V=16.7kn/s 如果一個(gè)天體，質(zhì)量很大而半徑很小，則它的“表面脫離速度”就可達(dá)到

12、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(yùn)動(dòng)物體也都跑不脫。這個(gè)天體就是黑洞。2021/4/216 廣義相對(duì)論預(yù)言，一定質(zhì)量的天體，將對(duì)周圍的空間產(chǎn)生影響而是使他們“彎曲”。彎曲的空間會(huì)迫使其附近的光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 例如太陽(yáng)就會(huì)使經(jīng)過(guò)其邊緣的遙遠(yuǎn)星體光線發(fā)生1.75弧秒的偏轉(zhuǎn)。由于太陽(yáng)的光太強(qiáng)，人們無(wú)法觀看太陽(yáng)附近的情景。1919年，一個(gè)英國(guó)日全考察隊(duì)終于觀測(cè)到太陽(yáng)附近的引力偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，愛(ài)因斯坦因此成了家喻戶曉的”明星“。2021/4/217 （2）史瓦西預(yù)言的黑洞 德國(guó)天文學(xué)家史瓦西通過(guò)計(jì)算愛(ài)因斯坦引力方程后預(yù)言：如果將大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，其周圍會(huì)產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在質(zhì)點(diǎn)的

13、周圍存在一個(gè)界面“視界”一旦進(jìn)入這個(gè)界面，即使光也無(wú)法逃脫。這種“不可思議的天體”后來(lái)被美國(guó)物理學(xué)家命名為“黑洞”。2021/4/218 黑洞的主要特征 它有很強(qiáng)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(yùn)行，軌跡會(huì)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(qiáng)的X射線和Y射線； 它極大的引力使光線在它附近也會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的彎曲； 它的內(nèi)部連一絲光線也透不出來(lái)2021/4/219 2.黑洞的觀測(cè)與發(fā)現(xiàn) （1）天鵝座X1的雙星系統(tǒng) 天鵝座X1：是一個(gè)雙星系統(tǒng)，可見(jiàn)恒星是一顆質(zhì)量25倍40倍太陽(yáng)的高溫藍(lán)色的超巨星；看不見(jiàn)的伴星質(zhì)量約為7倍太陽(yáng)，體積卻非常小，是一顆處于天鵝

14、座X1位置的，不發(fā)光而發(fā)射出強(qiáng)烈X射線的奇異天體，它們?cè)谔罩谢ハ鄧@著旋轉(zhuǎn)。據(jù)推測(cè)，這個(gè)奇異天體正在吸取可見(jiàn)星的氣體物質(zhì)，并將之加熱到幾百萬(wàn)K，稱為X射線源。該奇異已經(jīng)超過(guò)了黑洞質(zhì)量的“理論界限”，大概就是一個(gè)黑洞。2021/4/220天鵝座X12021/4/221 （2）第二個(gè)可能的黑洞 第二個(gè)可能的黑洞在銀河系附近的一個(gè)星系中發(fā)現(xiàn)的。天文學(xué)家確認(rèn)，這個(gè)星系的X射線源LMCX3中含有一顆質(zhì)量大約為10個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，它與另一顆普通的星組成一個(gè)雙星系統(tǒng)。這顆密暗星就是第二個(gè)可能的黑洞 （3）麒麟座X射線新星A062000 1986年1月，在美國(guó)天文學(xué)會(huì)的休斯頓會(huì)議上，麥克林托克和雷米拉德宣

15、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(yáng)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(gè)黑洞恒星。2021/4/222 黑洞家族 （1）史瓦西黑洞：屬于“尋常黑洞”，由恒星演化而來(lái) （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(jì)70年代由霍金提出來(lái)的，質(zhì)量比2個(gè)太陽(yáng)小得多?；艚疬€證明了小黑洞通過(guò)所謂“隧道效應(yīng)”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(shuō)。他認(rèn)為這種微型黑洞在地球也存在。例如美國(guó)夏威夷群島的火山之所以仍在活動(dòng)，就是因?yàn)榈厍虻蒯Ｖ须[藏著微型黑洞。2021/4/223 黑洞白洞兩兄弟 在60年代初由諾維克夫和尼曼等人根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論，提出了白洞的概念。白洞是黑洞的相反過(guò)程。黑洞是宇宙中的收縮區(qū)域，是吞食實(shí)物和光的“