現(xiàn)代天文學(xué)6教學(xué)內(nèi)容

現(xiàn)代天文學(xué)6從天狼星的自行談起天狼星是全天空中最亮的恒星。早在1718年哈雷通過測量天狼星位置發(fā)現(xiàn)它有自行，1836年德國貝塞爾發(fā)現(xiàn)天狼星的自行呈波浪式的變化，并由此推斷天狼星有一顆看不見的伴星，其軌道周期約為50年。

發(fā)現(xiàn)天狼星B1862年觀測發(fā)現(xiàn)在天狼星附近有一個很小的光點(diǎn)，最后確認(rèn)它就是天狼星的伴星，稱為天狼星B，而天狼星則改稱天狼星A。天狼星B是一顆暗星，其亮度比天狼星A差10個星等，光度相差1萬倍。表面溫度比太陽的還要高，達(dá)到8000K。

天狼星B為什么這樣暗？天狼星B很暗，但溫度并不低，質(zhì)量也不小。什么原因使它如此之暗？光度是和恒星的表面積成正比的，天狼星B如此之暗的原因只能歸之為它的表面積特別小，歸算出的直徑只比地球的大一點(diǎn)。因此密度大得不可思議！真有這樣的恒星嗎？天狼星B是什么？1924年愛丁頓最早提出白矮星的看法。他認(rèn)為天狼星B內(nèi)部的溫度非常高，原子都被電離成電子和原子核，這些粒子的體積比原子小得多。因此恒星的直徑變得比行星天王星要小，密度卻非常高。表面積太小，往外輻射的總能量也少。他稱這樣的恒星為“白矮星”。這個看法未能得到當(dāng)時的天文學(xué)家的認(rèn)可。恒星的一生

赫羅圖恒星的光度和光譜型（溫度）的關(guān)系1，光度高而溫度低的巨星和超巨星在右上角；2，光度低而溫度高的白矮星在左下角3，90％的恒星在左下自左上到右下的斜線左右，稱左下主序星。

恒星的誕生

彌漫的星際云在引力作用下不斷收縮，導(dǎo)致中心的密度加大，體積縮小。在收縮過程中，大量物質(zhì)向中心下落，引力勢能轉(zhuǎn)換為動能，導(dǎo)致溫度升高，開始輻射紅外線。高溫產(chǎn)生向外的輻射壓力逐步增強(qiáng)與引力相對抗的能力。不再收縮，原恒星就形成了。

原恒星：發(fā)生熱核反應(yīng)之前主序星：開始熱核反應(yīng)后如果一個星體的質(zhì)量小于0.08個太陽質(zhì)量，其核心的溫度不可能達(dá)到1000萬K，也就永遠(yuǎn)引發(fā)不了熱核反應(yīng)。就像太陽系中的木星一樣。如果星體的質(zhì)量超過100個太陽質(zhì)量，不穩(wěn)定，要分解。

主序星當(dāng)中心溫度達(dá)到1000萬度時，氫核聚變?yōu)楹ず说姆磻?yīng)就持續(xù)不斷的發(fā)生，產(chǎn)生巨大的輻射能使恒星內(nèi)部的壓力增強(qiáng)到足以和引力相抗衡，不再收縮，形成穩(wěn)定的恒星。以氫核聚變提供能量的恒星均在主序星階段，因為恒星中氫占大多數(shù)，可以維持很長時間。太陽就是一顆主序星。恒星演化

恒星的一生始終處在向內(nèi)收縮和向外膨脹的矛盾之中。主序星階段恒星是靠其內(nèi)部氫核聚變反應(yīng)提供能源而維持平衡的。由于恒星內(nèi)部含有大量的氫，氫核聚變反應(yīng)可進(jìn)行相當(dāng)長的時間間，所以恒星在主序星階段停留時間很長。質(zhì)量不同的恒星在主序星階段的時間很不相同。質(zhì)量愈大的恒星氫消耗得愈快，在主序星階段停留的時間就愈短。

紅巨星的由來（1）恒星中有大量的氫，但只有中心部分的溫度能使之發(fā)生核聚變。中心部分的氫燃燒完后，都變?yōu)楹ぴ?。由于溫度不夠，熱核反?yīng)暫時停止。恒星將會因抗衡不住引力而收縮。收縮的結(jié)果導(dǎo)致中心部分溫度大增，使氦能發(fā)生聚變反應(yīng)，產(chǎn)生大量的輻射，加熱中心區(qū)的外圍大氣，使恒星外層向外膨脹。

紅巨星的由來（2）恒星中心部分以外的區(qū)域由于溫度的增高又開始?xì)浜司圩兎磻?yīng)，并且核反應(yīng)迅速向外層轉(zhuǎn)移，推動外層膨脹，使得恒星體積很快增大上千倍以上。由于溫度下降，顏色變紅。這樣，這顆恒星就變成又大又紅的紅巨星。約100億年后太陽將變?yōu)榧t巨星圖為其體積與現(xiàn)在的太陽比較恒星演化之二白矮星勤奮好學(xué)的錢德拉塞卡

1910年10月19日出生于巴基斯坦的拉合爾，1916年，全家遷居馬德拉斯。后來進(jìn)入馬德拉斯大學(xué)學(xué)習(xí)物理和數(shù)學(xué)。1930年他20歲時以全班第一的成績大學(xué)畢業(yè)。在他上大學(xué)時正值物理學(xué)從經(jīng)典到近代物理學(xué)轉(zhuǎn)變的時期。新的理論，新的學(xué)說和新的概念一個接一個的出現(xiàn)。1915年愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論1911年，盧瑟福提出了原子模型1925年春，泡利（25歲）提出新的物理學(xué)原理——不相容原理，他為此在1945年榮獲諾貝爾物理獎20年代中期，量子統(tǒng)計學(xué)誕生了年青的大學(xué)生錢德拉塞卡自學(xué)這些近代物理。從17歲開始就試圖用物理學(xué)的知識來解決天文學(xué)上的難題。當(dāng)他18歲時候就有一篇題為“康普頓散射和新統(tǒng)計學(xué)”論文發(fā)表在1928年的《皇家學(xué)會論文集》上。錢德拉塞卡1930年7月31日大學(xué)畢業(yè)后，被劍橋大學(xué)錄取為研究生。1934年，他完成了兩篇白矮星的學(xué)術(shù)論文。他得出一個始料未及的重要結(jié)果：白矮星的質(zhì)量越大，其半徑越??；白矮星的質(zhì)量不會大于太陽質(zhì)量的1.44倍；

這一成就，成為錢德拉塞卡獲得諾貝爾物理學(xué)獎的原因之一。

高密的白矮星天狼星A的質(zhì)量是2.4個太陽質(zhì)量，天狼星B這具有0.98個太陽質(zhì)量。這顆伴星的平均密度比1噸/厘米3還要高。當(dāng)時人們都不敢相信恒星有如此高的密度，成為一個令人困惑的問題。在當(dāng)時的物理學(xué)原理還不能解釋白矮星的高密狀態(tài)是怎樣形成的。白矮星的觀測發(fā)現(xiàn)走在理論的前面，使得當(dāng)時的物理學(xué)家無言以對。白矮星的形成白矮星則是熱核反應(yīng)停止以后恒星的一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。熱核反應(yīng)一停止，引力便占上風(fēng)，恒星就要收縮，直到有一種能與引力抗衡的力出現(xiàn)，才能使恒星穩(wěn)定下來。這個力就是簡并電子氣的壓力，簡稱簡并壓力。比通常的理想氣體壓力大得多。

白矮星為什么如此之??？原子由原子核和核外的電子組成。原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在原子核里。帶負(fù)電的電子在原子核外繞核旋轉(zhuǎn)。原子很小，其直徑的約10-8厘米，原子約10-13厘米。由于熱核反應(yīng)停止，輻射壓大大降低，導(dǎo)致恒星坍縮，溫度升高，密度加大。原子核外的電子全部電離，變成赤裸裸的原子核，所有電子都成為自由電子。恒星的體積突然變小。強(qiáng)大的簡并電子氣壓(1)

泡利不相容原理：電子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的，只能取某些特定的值。同一個狀態(tài)，只能允許一個電子占有。電子能量從低向高排列，低能態(tài)的占滿了，就只能到高能態(tài)去。當(dāng)電子密度很高時，必然有很多電子處在高能態(tài)。具有非常高的速度，產(chǎn)生非常高的簡并電子氣壓。泡利不相容原理能級1能級2自旋朝下自旋朝上客滿客滿

電子具有非常高速度并不是因為溫度高，而是因為低能態(tài)已被別的電子占據(jù)了，其它的電子只能跑到高能態(tài)上去。因此高能電子數(shù)目的多少取決于密度，而不是溫度。

強(qiáng)大的簡并電子氣壓(2)

在密度非常高的情況下，電子、質(zhì)子和中子氣體遵從量子力學(xué)的規(guī)律而被稱為簡并氣體。粒子的位置和速度的大小不能單獨(dú)確定，它們的乘積等于一個常數(shù)。粒子所占的體積越小，它的動量就越大。由于坍縮恒星的密度大大地增加，必然導(dǎo)致原子核外的電子具有很大的動量，產(chǎn)生強(qiáng)大的簡并電子氣壓。白矮星的形成1，恒星晚期核燃料用完或其它燃料不能點(diǎn)燃，輻射壓減少很快，引力大大超過輻射壓，導(dǎo)致恒星坍縮。2，坍縮導(dǎo)致密度增加，溫度升高，氣體全部電離，變?yōu)樽杂呻娮雍吐阍雍恕?，自由電子遵從量子力學(xué)規(guī)律，具有非常大的速度，產(chǎn)生強(qiáng)大的簡并電子氣壓，足以和引力抗衡。形成穩(wěn)定的白矮星。

白矮星的質(zhì)量－半徑關(guān)系白矮星的質(zhì)量越大則它的半徑越小。這和我們所熟悉的正常恒星的半徑質(zhì)量關(guān)系完全不同。這個關(guān)系保證白矮星的穩(wěn)定，當(dāng)質(zhì)量稍微增加，引力增加，但半徑縮小，致使簡并電子氣體增加。但是，當(dāng)質(zhì)量增加比較多，超過1.4個太陽質(zhì)量，這個關(guān)系不存在。半徑白矮星質(zhì)量與半徑的關(guān)系

相對論簡并電子氣

當(dāng)密度更高時，大多數(shù)簡并電子處于更高的能級上，其速度接近光速而成為相對論性簡并電子。這時的物態(tài)方程發(fā)生了變化，白矮星的質(zhì)量與半徑的關(guān)系消失了。不可能通過白矮星的半徑的自動調(diào)節(jié)來達(dá)到平衡。白矮星質(zhì)量上限當(dāng)坍縮后的恒星質(zhì)量超過一定的限度后，密度進(jìn)一步加大，簡并電子氣就變?yōu)橄鄬φ撔缘牧耍筒豢赡苄纬煞€(wěn)定的白矮星。因此，白矮星有一個質(zhì)量上限。錢德拉塞卡通過計算得到上限為1.44個太陽質(zhì)量。這是一項天文學(xué)上重要的成就，成為錢德拉塞卡獲得諾貝爾物理學(xué)獎的原因之一。超過上限后是什么？

在1935年，無論是錢德拉塞卡本人還是其他科學(xué)家都還不知道質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限的老年恒星的演化歸宿是什么。現(xiàn)已公認(rèn)，質(zhì)量比較大的老年恒星不可能會演變成白矮星，它們最終將演化為密度比白矮星更大的天體——中子星或者黑洞。行星狀星云恒星死亡前的精彩亮相，死亡后漂亮的壽衣1789年人類發(fā)現(xiàn)的第一個的行星狀星云天琴座環(huán)狀星云(M57)行星狀星云的名字有誤1798年英國天文學(xué)家赫歇爾用48cm望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)天琴座環(huán)狀星云。望遠(yuǎn)鏡太差，看不清楚。只是看出一個邊緣比較清晰的小圓面，和天王星比較像，因此就叫它為行星狀星云。行星狀星云和行星根本沒有關(guān)系，由大望遠(yuǎn)鏡觀測的圖象看，行星狀星云和行星沒有任何相象的地方。天鵝座

貓眼星云

NGC6826從中心星發(fā)射出的氣體形成的紅色斑點(diǎn)天空之眼NGC6751沙漏星云在南天極附近Mycn18一環(huán)套一環(huán)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)行星狀星云的觀測特性

比較暗，在星云中心大都有一顆溫度高的恒星（白矮星）大多呈繞中心星對稱的圓環(huán)狀或圓盤狀是氣體星云，由中心星的紫外線激發(fā)發(fā)光都在不斷膨脹，速度約為10～50千米/秒內(nèi)部物質(zhì)稀薄，邊緣稠密行星狀星云紅外輻射強(qiáng)，和紅巨星類似行星狀星云復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形成

紅巨星的大氣逃離速度10千米/秒，經(jīng)過幾百萬年把紅巨星的大部分大氣帶走，使中心星裸露出來。中心星是致密星－－白矮星，其星風(fēng)速度很快，可達(dá)2000千米/秒。很快就趕上紅巨星以前跑掉的物質(zhì)。兩種星風(fēng)相互作用就形成行星狀星云的氣殼和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

白矮星的質(zhì)量上限的爭論

錢德拉塞卡白矮星理論是全新的理論，特別是他提出白矮星的質(zhì)量上限的問題更是新穎。1934年他完成兩篇白矮星的論文，提交給英國皇家天文學(xué)會。1935年1月學(xué)會召開了學(xué)術(shù)會議，讓他介紹研究成果。其中最重要的是提出白矮星有質(zhì)量上限。

愛丁頓

愛丁頓是那個時代最著名的天文學(xué)家之一，大權(quán)威。他利用日全食的機(jī)會成功地驗證了廣義相對論關(guān)于星光經(jīng)過太陽附近產(chǎn)生偏折的預(yù)言，成為劃時代意義的科學(xué)實驗。他對恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)理論做出了巨大的貢獻(xiàn)，成為這一理論的奠基人。愛丁頓的批評

在會上，愛丁頓完全否定他的“白矮星有一個質(zhì)量上限”的報告。愛丁頓說，根本不存在什么相對論簡并性，白矮星的質(zhì)量上限是計算錯誤導(dǎo)致的。會議主席不給錢德拉塞卡答辯的機(jī)會，反而要求他感謝愛丁頓的批評。愛丁頓再次批評

同年7月，國際天文學(xué)會在巴黎召開代表大會，錢德拉塞卡和愛丁頓又見面了。會上，愛丁頓主動出擊又一次激烈地批評錢德拉塞卡的白矮星理論。錢德拉塞卡仍然沒有得到在會上申辯的機(jī)會。愛丁頓的觀點(diǎn)愛丁頓深信，他已經(jīng)證明恒星無論其質(zhì)量是多大，都可以達(dá)到某種穩(wěn)定的狀態(tài)。普通恒星的質(zhì)量可大可小，而白矮星這種老年恒星的質(zhì)量為什么就不能超過錢德拉塞卡極限呢？錢德拉塞卡勝了1939年8月，國際天文學(xué)會在巴黎召開學(xué)術(shù)會議專門討論白矮星和超新星問題。錢德拉塞卡終于獲得機(jī)會在大會上報告，他公開指出愛丁頓理論的錯誤所在，贏得了許多人的支持。不少物理界著名學(xué)者都支持他。錢德拉塞卡的白矮星理論得到了承認(rèn)。

觀測證實白矮星有質(zhì)量上限

目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)白矮星一千多顆，它們的質(zhì)量都沒沒有超過1.44太陽質(zhì)量的錢德拉塞卡極限。沒有一個例外。它們的質(zhì)量和半徑關(guān)系完全遵從錢德拉塞卡推算出的理論曲線。

愛丁頓錯了他不理解錢德拉塞卡提出的白矮星質(zhì)量上限的理論。原因是他剛剛發(fā)展起來的近代物理學(xué)的新原理麻木不仁。自己不理解，還要壓制新生事物。

學(xué)者風(fēng)度錢德拉塞卡并不記恨于愛丁頓。他們之間還建立了友好的關(guān)系，經(jīng)常通信交流。在愛丁頓逝世時，他