第四讲 白矮星、中子星和黑洞
白矮星中子星与黑洞
1983年（73岁）获诺贝尔物理奖！
四、中子星与脉冲星
（1）中子星的预言 中子的发现
玻特（1930） 约里奥夫妇（1931） 查德威克（1932）
中子星的预言
朗道（1932） （几乎与钱德拉塞卡同时指出，白矮星 有质量上限，结论相似）
（2）奥本海默极限
M 1.4M 中子星
M 3M 继续坍缩（1939年）
第六讲 白矮星、中子星与黑洞
赵峥 北京师范大学
一、历史上的黑洞 二、恒星的演化 三、白矮星与红巨星 四、中子星与脉冲星 五、超新星爆发 六、对黑洞的早期认识
加尔各答黑洞
加尔各答黑洞
20平方米，3个犯人 关进146名俘虏，10小时后，123人死
去，仅23人存活。
一、历史上的黑洞
200年前（拿破仑时代）
恒星密度与半径的比较
太阳 白矮星 中子星
黑洞
半径 70万千米 1万千米
10千米 3千米
密度 1.4克/cm3 1吨/cm3 1~10亿吨/cm3 100亿吨/cm3
恒星尺度的比较图
三、白矮星与红巨星
（1）天狼伴星（天狼B星）
天狼（大犬座 ），距我们9光年，
最亮的恒星。
举长矢兮射天狼,操于弧兮反沦降——屈原 会挽雕弓如满月,西北望,射天狼——苏东坡
六、对黑洞的早期认识
1、球对称黑洞
1915 广义相对论
1916 史瓦西得到静态球对称解
——拉普拉斯
GMm 1 mc2 r2
r
rg
2GM c2
用万有引力定律，未用广义相对论。
光子动能误为 1 mc2，而不是mc2
2
两个错误相互抵消
正确的结论！
当时不知道光速是极限速度，因此光虽 无法逃离暗星，其它物体仍有可能逃离。
恒星死亡后的三种形态
恒星死亡后的三种形态
答：白矮星、中子星、黑洞。
我们常常把恒星的主序星阶段的终结看作恒星的死亡，恒星死亡后最终会变成白矮星、中子星、黑洞等三者之一。
怎样的恒星死亡后才会变成白矮星呢？想要死亡后变成白矮星，该恒星就必须是中小型恒星，在死亡过程中形成星壳和星核两部分，星壳向外抛射出去，星核向内坍缩，如果星核质量不大于太阳质量的1.44倍，就会形成白矮星。
白矮星在高压下，原子被压碎，电子会脱离轨道变成自由电子。
一般来说，这样的恒星死亡前的质量大约在太阳质量的8~10倍以下。
根据理论推测，白矮星大概占总恒星数的10%左右。
而恒星想要变成中子星，那它的质量就必须在太阳质量的8~10倍以上，30倍以下，这样才能保证恒星在死亡时发生超新星爆炸，爆炸后内核的质量保持在1.44~3.2倍太阳质量之间，最后在高压下，不仅原子被压碎，原子核也被压碎，质子和电子结合形成中子，最后，所有的中子压缩在一起形成中子星。
中子星并不是恒星的最终状态，它还可以进一步演化。
当它的能量量消耗完以后，中子星将变成不发光的黑矮星。
白矮星其实也可以变为黑矮星，只是时间比较长，需要200亿年。
下面我们说恒星死亡后的最后一种状态，也是最神秘和未知的状态：黑洞。
想要在死亡后变成黑洞，那该恒星死亡前的质量就必须在太阳
质量的30倍以上，且爆炸后内核质量在太阳质量的3.2倍以上，这样才能形成神秘而又未知的黑洞。
白矮星和中子星
白矮星白矮星(White Dwarf)是一种低光度、高密度、高温度的恒星。
因为它的颜色呈白色、体积比较矮小，因此被命名为白矮星。
白矮星是一种晚期的恒星。
根据现代恒星演化理论，白矮星是在红巨星的中心形成的。
白矮星是一种很特殊的天体，它的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。
比如天狼星伴星（它是最早被发现的白矮星），体积和地球相当，但质量却和太阳差不多，它的密度在1000万吨/立方米左右。
定义白矮星[1]：也称为简并矮星。
一种由电子之间不相容原理排斥力所支持的稳定恒星，是由电子简并物质构成的小恒星。
白矮星是中低质量的恒星的演化路线的终点。
在红巨星阶段的末期，恒星的中心会因为温度、压力不足或者核聚变达到铁阶段而停止产生能量（产生比铁还重的元素不能产生能量，而需要吸收能量）。
恒星外壳的重力会压缩恒星产生一个高密度的天体。
一个典型的稳定独立白矮星具有大约半个太阳质量，比地球略大。
这种密度仅次于中子星和夸克星。
如果白矮星的质量超过1.44倍太阳质量，那么原子核之间的电荷斥力不足以对抗重力，电子会被压入原子核而形成中子星。
大部分恒星的演化过程都包含白矮星阶段。
由于很多恒星会通过新星或者超新星爆发将外壳抛出，一些质量略大的恒星也可能最终演化成白矮星。
双星或者多星系统中，由于星际物质的交换，恒星的演化过程可能与单独的恒星不同，例如天狼星的伴星就是一颗年老的大约一个太阳质量的白矮星，但是天狼星是一颗大约 2.3个太阳质量的主序星。
中子星中子星，又名波霎（注：脉冲星都是中子星，但中子星不一定是脉冲星，我们必须要收到它的脉冲才算是。
）是恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。
简而言之，即质量没有达到可以形成黑洞的恒星在寿命终结时塌缩形成的一种介于恒星和黑洞的星体，其密度比地球上任何物质密度大相当多倍。
中子星的前身中子星的前身一般是一颗质量比太阳大8倍的恒星。
它在爆发坍缩过程中产生的巨大压力，使它的物质结构发生巨大的变化。
黑洞到底是怎么样形成的有哪些说法
黑洞到底是怎么样形成的有哪些说法关于黑洞的形成，科学界有着很多的说法，但却并没有一个统一的说法。
下面是小编分享的黑洞的形成原因，一起来看看吧。
黑洞的形成原因亦可以简单理解：通常恒星的最初只含氢元素，恒星内部的氢原子时刻相互碰撞，发生裂变、聚变。
由于恒星质量很大，裂变与聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡，以维持恒星结构的稳定。
由于裂变与聚变，氢原子内部结构最终发生改变，破裂并组成新的元素——氦元素。
接着，氦原子也参与裂变与聚变，改变结构，生成锂元素。
如此类推，按照元素周期表的顺序，会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成。
直至铁元素生成，该恒星便会坍塌。
这是由于铁元素相当稳定不能参与裂变或聚变，而铁元素存在于恒星内部，导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡，从而引发恒星坍塌，最终形成黑洞。
跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由质量大于太阳质量20倍的恒星演化而来的。
当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢)，由中心产生的能量已经不多了。
这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。
所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。
质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。
而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。
如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。
这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积很小、密度趋向很大。
而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。
根据科学家计算,一个物体要有每秒种7.9公里的速度,就可以不被地球的引力拉回到地面,而在空中饶着地球转圈子了.这个速度,叫第一宇宙速度.如果要想完全摆脱地球引力的束缚,到别的行星上去,至少要有11.2km/s的速度,这个速度,叫第二宇宙速度.也可以叫逃脱速度.这个结果是按照地球的质量和半径的大小算出来的.就是说,一个物体要从地面上逃脱出去,起码要有这么大的速度。
中子星与黑洞的形成与演化
中子星与黑洞的形成与演化中子星是宇宙中最奇特而又神秘的天体之一，它的形成与演化过程备受科学家们的关注和研究。
而与中子星相伴的另一个天体黑洞，更是引发了广泛的探讨和探索。
本文将深入探讨中子星与黑洞的形成与演化。
1. 中子星的形成中子星形成于质量特别大的恒星爆炸事件，即超新星爆炸。
在超新星爆炸发生时，恒星的核心突然崩塌，使得恒星内部的物质密度极大地增加。
这种崩塌会产生极高的压力，使得原子核内的电子被压缩到原子核大小，从而形成中子星。
中子星拥有极高的密度和强磁场，是宇宙中最稳定的天体之一。
2. 中子星的演化过程一旦形成，中子星会继续演化。
由于当初爆炸时的物质被抛出，中子星会逐渐冷却下来，并且减缓自转速度。
随着时间的推移，中子星表面会产生温度梯度，从而导致热能向外部辐射。
这个辐射过程称为“中子星冷却”，持续数百万年甚至更久。
此外，由于中子星的高自转速度和强磁场，会产生强磁层。
当物质从伴星跌落到中子星表面时，会经历剧烈的能量释放，形成所谓的“中子星爆”。
这些中子星爆能够释放出强烈的辐射，对于我们研究中子星的性质和演化过程具有重要意义。
3. 黑洞的形成在宇宙的深处，还有一种更为神秘的天体存在，那就是黑洞。
黑洞是由超大质量天体的塌缩形成的。
当恒星质量超过了一定的临界值，称为质量上限，就会发生坍缩并形成黑洞。
黑洞中心的奇点具有无限密度和无穷大的引力场，使得任何物质都无法逃离其吸引范围。
4. 黑洞的演化过程黑洞虽然是无法直接观测到的，但科学家们通过间接观测和数学模型的研究，揭示了黑洞可能的演化过程。
一般而言，黑洞会通过吸积物质来增长质量。
当黑洞附近存在足够多的气体和尘埃时，它们会被黑洞的引力吸引并进入黑洞。
这个过程称为吸积，它会产生强烈的辐射，形成所谓的“吸积盘”。
随着黑洞质量的增加，它的引力也会加强。
一旦黑洞吸积足够多的物质，质量超过一定临界值，就会进一步坍缩，形成超大质量黑洞。
超大质量黑洞是宇宙中最庞大的黑洞，其质量可以达到上百万乃至上十亿个太阳质量。
从爱因斯坦到霍金的宇宙答案完整版
白矮星、中子星与黑洞（一）已完成1加尔各答有一个地方叫黑洞。
正确答案：√我的答案：√2约翰·米歇尔提出“暗星”概念是在哪一年？（）A、1769年B、1821年C、1783年D、1785年正确答案： C 我的答案：C3《宇宙体系论》和《天体力学》的作者是（）。
A、约翰·米歇尔B、拉普拉斯C、爱因斯坦D、托马斯·杨正确答案： B 我的答案：B4产生暗星的条件是：（）A、R=2GM/C2B、R<2GM/CC、R>2GM/C2D、R<2GM/C2正确答案： D 我的答案：D5美国“原子弹之父”是：（）A、费米B、西那德C、奥本海默D、约里奥.居里正确答案： C 我的答案：C6白矮星的密度是：（）A、1.4克/CM3B、1吨/CM3C、100吨/CM3D、100亿/CM3正确答案： B 我的答案：B7爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞。
正确答案：√我的答案：√8双缝干涉实验证实了光是波。
正确答案：√我的答案：√9据《每月之星》中记载，白矮星的密度是每立方厘米（）左右。
A、3吨B、2吨C、1吨D、0.5吨正确答案： C 我的答案：C10最先提出暗星概念的人是白矮星、中子星与黑洞（一）已完成1加尔各答有一个地方叫黑洞。
正确答案：√我的答案：√2约翰·米歇尔提出“暗星”概念是在哪一年？（）A、1769年B、1821年C、1783年D、1785年正确答案： C 我的答案：C3《宇宙体系论》和《天体力学》的作者是（）。
A、约翰·米歇尔B、拉普拉斯C、爱因斯坦D、托马斯·杨正确答案： B 我的答案：B4产生暗星的条件是：（）A、R=2GM/C2B、R<2GM/CC、R>2GM/C2D、R<2GM/C2正确答案： D 我的答案：A5美国“原子弹之父”是：（）A、费米B、西那德C、奥本海默D、约里奥.居里正确答案： C 我的答案：C6白矮星的密度是：（）A、1.4克/CM3B、1吨/CM3C、100吨/CM3D、100亿/CM3正确答案： B 我的答案：B7爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞。
恒星的演化
【摘要】恒星来之于星云又归之于星云，本文对恒星由星云中诞生、经过主序星红巨星阶段、逐渐步入晚期，到最后演化成白矮星、中子星、黑洞的整个过程进行了一个概述。
【关键词】恒星演化、星云、原恒星、主序星、红巨星、爆炸、超新星、中子星、白矮星、黑洞恒星的一生大致可分为四个阶段引力收缩阶段,主序星阶段,红巨星阶段和晚期阶段。
引力收缩阶段是恒星的幼年期,即由星际物质形成恒星的过程。
星际物质的成分主要是氢,质量百分比在70%,其次是氦不足37% ,还有极少量的氧、碳、氮等等，其密度极小，但体积和质量巨大。
此过程分为两个阶段：一：星云坍缩为原恒星。
此过程中引力起支配作用，表现为物质处于自由下落状态的快收缩过程。
星云的密度增大，温度升高，当核区温度升高到2 000 K 时, 氢分子开始分解成氢原子, 同时吸收大量的热量, 促使中心区域坍缩为一个体积更小、密度更大的新内核, 也就是原恒星。
二：原恒星进而坍缩为恒星的慢收缩阶段。
当所有分子氢都离解完时, 吸热机制消失,但收缩仍在持续进行, 而原恒星物质所受到的引力(向内)与辐射压力(向外)近乎势均力敌。
收缩使热量增加, 其中一部分辐射逸出原恒星外, 其余部分使原恒星物质温度进一步上升。
当温度升高到700 万度或更高时, 核区开始出现氢聚变为氦的热核反应, 这一反应所产生的热量足以与向外逸出的热量相当, 慢收缩过程结束, 而原恒星便演变为一颗真正的恒星——主序星。
主序星阶段是一个相对稳定的长时期，此过程是恒星以内部氢氦聚变为主要能源的发展阶段，是恒星的“青年时代”，也是恒星一生中最长的黄金阶段，占据了它整个寿命的90%。
这段时间，恒星相对稳定，向外膨胀和向内收缩的两种力大致平衡，恒星基本上不收缩也不膨胀，并且以几乎不变的恒定光度（所谓“光度”，就是指从恒星表面以光的形式辐射出的功率）发光发热，照亮周围的宇宙空间。
但在其内部内部进行着剧烈的氢核聚变为氦核的反应，核反应产生的热能全部用于热和电磁辐射及微粒子辐射，恒星温度不变，在主序上的位置也不变，在中心的氢耗尽时逐渐形成一个不再产能的氦核，使其温度不再改变即同温，当同温氦核质量达到恒星质量的10%—15% 时,同温氦核开始顶不住星体的自吸引氦核会猛烈坍缩,释放出巨大的引力能。
12-黑洞
白洞与黑洞是相通的，它们之间有一条通道，叫做 “蛀洞”。正是这条通道，把黑洞吸集的物质，运到白 洞喷发出去。美国天文学家认为，蛀洞这一通道可能使 我们与其它的宇宙相连。 那么，白洞是怎样形成的呢？著名的英国天体物理 学家霍金认为，白洞有“自发蒸发”现象，它会使白洞 质量减小。小白洞在很短的时间内就蒸发干净，大白洞 则需要时间较长才可蒸发干净。蒸发过程中，质量不断 减少，且随质量的减少加速蒸发。最后发生一种反收缩 方式的猛烈爆发，这与黑洞很类似。 总的来说，白洞和蛀洞还只是广义相对论的一个数学 结果，还未得到证实，而且就理论自身来看，也还有许 多问题要解决。 13
27
(3) 时空互换：在黑洞里面，时间和空间变得面目全 非，它们相互交换，时间摇身一变成了空间，空间 也乔装改扮成了时间 。 (4)黑洞的蒸发: 运用量子理论，英国物理学家史蒂 芬· 霍金提出了黑洞的量子论，指出黑洞里的粒子不 是绝对不能逃出来的，它可以通过一种量子隧道过 程蒸发出来，这称为黑洞的蒸发。
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视界
在外部观察者看来，一个坍缩天体，当缩至半径 R=rg时，这一球面是给观察者的最后界面，从此， 这颗恒星就在观察者的视野中消失了，球面R=rg 叫做视界。 天体在缩进球面以后，按照广义相对论，它会无 限制地坍缩下去，而黑洞的大小却不再变了，它 的表面就是视界R=rg。
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无限红移面
在相对论的恒星引力场中，接 收器接收到的频率v2，恒星表 面发出的光频率为v1
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物理上黑洞的描述只有三个物理量： 质量 角动量 电荷 可称“三毛” 按此物理量分类： 1.克尔—纽曼黑洞，三者都有 2.克尔黑洞，无电荷 3.莱斯纳黑洞，无角动量 4.西瓦兹黑洞，只有质量
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以克尔黑洞为例： 克尔黑洞有一个静界和一个外视界，静界是 一个旋转椭圆面，外视界是一个球面，包含在 静界和外视界之间的 空间称为能层。
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- 角动量守恒（质量、伸展度和旋转速度）
- 磁场放大机制 为什么中子星自转轴与磁轴不重合？ - 可能与超新星爆发时，中微子辐射的不对 称性有关。
1 2 GMm mc 2 RS
2GM RS 2 2.96( M / M ) c
表
天体的致密程度可以用 RS / R 示。
由
理论与观测的比较
理论与观测的比较
引力红移：按照广义相对论，在远离引力场的地方 观测引力场中的辐射源发射出来的光时，光 谱中的谱线向红端移动，波长红移的大小与 辐射源和观测者两处的引力势差成正比。
核坍缩形成中子星， 超新星爆发
为什么中子星快速自转，并且具有超强磁场？
时空旅行
通过虫洞实现时空旅行，并不违反物理 定律，但是因果律面临困难。 但极难制造大虫洞。
只有基本粒子可作时空旅行?
第四讲 白矮星、中子星 和黑洞
致密星——白矮星、中子星和黑洞——是正常星“死 亡”时“诞生”的，亦即当它们的大部分核燃料已耗 尽时的归宿。
致密星与正常星的差别在于： 1）致密星不再燃烧核燃料，不能靠产生热压力来 支持自身的引力塌缩；
2）致密星是尺度非常小的天体，表面引力场很强。
由于致密星的密度涉及高密度很宽的范围，因此全部 四种相互作用在致密星中都起重要作用，且要考虑广 义相对论。
潮汐作用(Tidal effect)
距离越远，重力越小，因此物体不同部份 受到的引力不同 例﹕人站在地面，脚所受重力大于头 潮汐力﹕ 上下扯开，左右压缩。
潮汐力
虫洞
广义相对论解出虫洞的 产生可不依靠黑洞，但 只能维持极短的时间。 因为需要极大的张力来 抵抗重力以保持稳定。 量子理论给出极小尺度 时空充满虫洞。 需要将量子理论与广义 相对论统一才能明白。
名称
正反粒子对
反粒子
图片来源：Mirabel & Rodriguez 1998
银河系中心黑洞
射电波段
黑洞质量：260万倍的 太阳质量
虫洞与时空旅行
虫洞
由黑洞中心奇点延伸有虫洞，连接 黑洞与白洞。
虫洞＝时空隧道，பைடு நூலகம்接两时空点
黑洞、虫洞、时空旅行？
能否利用黑洞作时空旅行？ 不能。因为： 黑洞潮汐力太强 (例: 10 M 黑洞的 表面重力每米相差107g)
白矮星在其长时间的冷却过程中由光学望远镜可直接 观测到。中子星作为射电脉冲星或X射线脉冲星可用 相应的望远镜观测到。黑洞只能通过它对其周围环境 的影响而间接地观测分析。
2.白矮星基本特征
在H-R图上白矮星位于主序带的左下方
白矮星的形成 白矮星是质量 ~ 8 10M 的主序星的演化产物。在主序 星演化为红巨星之后，会将其 包层抛出，形成行星状星云， 而恒星内部辐射压力不足以抵 抗自引力，物质收缩成为一个 高密度的电子简并态的碳/氧球。