第九 天体物理学的新发展简介.ppt

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。 如1998年9月由一颗测X射线的人造卫星发现了一个“黑洞双星系统”，正在发射出一左一右一对X射线喷注。后由于进入了密集的星系介质(云)而被减速，正在黯淡下来。 2002年11月由哈勃望远镜发现在银河系内离地球6000~9000光年的天蝎座内有一黑洞正在以112km/s的高速穿越银河面，向我们飞来，它的伴星是一颗衰老的恒星。 以上两事例可认为是支持恒星演化理论的有力证据。 三、大黑洞—星系和类星体有联系吗? 1. 存在大黑洞 经过1990年哈勃望远镜对30多个星系的仔细观察和比较研究，越来越多的天文学家倾向于相信：在宇宙大爆炸后，由于某种至今不明的原因，先产生较小的“黑洞”作为种子，约1亿年左右，在他们周围开始有星形成，继续吸积物质而长大成为原始星系。后者又相互合并，在它们中央形成超大型的“黑洞”(质量可达106~1010M⊙)，黑洞作为发动机产生巨大的能量，表现为特别明亮的类星体。现在看到的最远的类星体约相当于大爆炸后109年产生，它们在释放大量能量之后，演化为散布在宇宙各处的星系，在每个星系中央潜伏着一个逐渐衰老的巨大黑洞，在其周围已经没有多少恒星可供它“吞食”了。 2. 观察的重要性 然而问题远未解决，有许多为什么可提出来，怎么办?正如研究黑洞的著名科学家J.Kormerdy所说：“从这些材料向清楚的唯一道路是靠观察。古希腊哲学家争取相反的做法，他们总是坐着不断地想，结果绝大部分想出来的东西都是错误的。然而也有几个人实际地向天空去看，他们才是仅有的几个走正确道路的人”。 §9.7 暗物质与暗能量之谜 一、天体距离和哈勃常数的测定 本节介绍了“天文距离的梯级测定法”中由近至远的各种测量方法： (1) 对较近星；用三角学的视差方法，R可达1.34×108光年。 (2) 利用造父变星作为“标准烛”，把测量距离推到30Mpc。 (3) 利用星系的整体性质，推到150Mpc。 (4) 利用超新星爆炸，推到400Mpc。 用各种方法的结果取加权平均后，目前哈勃常数的公认值为： 这个数值适用范围从70Mpc~1000Mpc。更远距离上，哈勃定律的线性关系便不再保持了。 二、宇宙年龄与膨胀是加速还是减速有关 目前通过对球状星团观测分析给出的宇宙年龄至少为1.12×1010年，这与用匀速膨胀估计出的(1.36±0.15) ×1010年和用减速膨胀估计的9×109年都不相符。 三、宇宙膨胀，平坦性与物质密度的关系 1. 三种膨胀情况 在假设宇宙在空间上各向同性，物质密度ρ又是均匀的条件下，弗里德曼通过求解爱因斯坦场方程得出了宇宙膨胀的三种可能与密度ρ的大小密切有关。先定义一个临界密度 再定义一个量Ωm=ρ/ ρc (1) ρ＞ρc Ωm＞1,宇宙半径先膨胀，后收缩为零，表明宇宙是封闭的，时空曲面有正曲率。 (2) ρ=ρc Ωm=1,宇宙将一直膨胀下去，但时空是平坦的，曲率为零(也属开放宇宙)。 (3) ρ＜ρc Ωm＜1,宇宙将加速膨胀，它将是一个具有负曲率的开放宇宙。 2.ρ到底多大？科学家从已发现的可发(可见)光的星和星际物质分布估计 ρ≈4×10-31g/cm3≈0.4ρc，所以宇宙加速膨胀。ρ真的这么小吗?实际要大得多。 四、暗物质存在的证据和迷惑 1. 暗物质存在的证据 (1) 1937年天文学家兹维克首先从星系运动的分析中发现了“暗物质”的存在。例如：可考察银河系发光盘面外，位于离中心r1远处有一颗恒星，质量为m1，其作圆周运动的向心加速度由全部星系的质量M(r1)对它的万有引力提供，即有 再看在r2(r2r1)处的一颗恒星的运动，有 假定在r1与r2之间空间基本上是没有物质，即M(r1) ≈M(r2) ，则可得出u2(r2)＜u1(r1)的结论。但实际上 u2(r2) 与u1(r1)差不多，这表明M(r2) M(r1) ，即在r1 和r2之间的空间中存在大量不发光的“暗物质”。 (2) 第二个证据是“引力透镜效应”：一个类星体发出的光在到达地球的途中若遇到合适的星系(或星系团)作为“透