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1、第六讲、钱德拉塞卡与白矮星质量上限 1、白矮星的形成 2、白矮星与行星状星云 3、白矮星的观测特征 4、白矮星与引力红移 5、白矮星的质量上限 6、钱德拉塞卡在恒星结构研究中贡献 美籍印度裔天文学家钱德拉塞卡 由于在恒星结构和演化理论上的贡献，特别是提出白矮星质量上限以及提出更大质量恒星归宿等论断。荣获1983年度诺贝尔物理学奖。一、钱德拉塞卡在恒星结构研究中贡献 1、白矮星演化理论的奠基人 1915年，美国天文学家亚当斯发现白矮星物理特性。1925年，英国物理学家福勒用物质兼并假说解释了白矮星的巨大密度。电子和电离的核在极大的压力下组成高度密集的物质。1926年，英国天文学家爱丁顿提出氢转变
2、成氦是恒星能量的可能源泉。2、钱德拉塞卡发展了白矮星演化理论 1930年1936年，钱德拉塞卡在英国剑桥大学学习和工作期间，通过应用相对论和量子力学，利用兼并电子气体的物态方程，为白矮星的演化过程建立了合理模型并对演化观测给出预测。钱德拉塞卡对白矮星理论具体贡献：1）、白矮星质量越大，其半径越小；2）、白矮星的质量不会大于太阳质量的1.4倍；该值被称为：白矮星质量的钱德拉塞卡极限。3）、质量更大的恒星必需通过某种形式的质量转化，也许经过大爆炸过程才能最后归宿为白矮星。钱德拉塞卡的理论解释了恒星演化最后的过程，因此对宇宙学研究做出了重大贡献。4）、1939年，钱德拉塞卡出版的恒星结构研究导论一书
3、，系统总结了他的白矮星理论。二、白矮星的形成 白矮星：是大质量恒星演化到晚期的一个归宿星。它体积小、温度高，呈白色、光度低，是一颗致密星。右图：哈勃望远镜拍摄的天鹰座行星状星云的中央星就是一颗白矮星（白色亮点）。1、天狼星B与白矮星 白矮星这个名字是英国剑桥大学天文学家爱丁顿在1924年首先提出来的，并指出天狼星的伴星天狼星B就是致密的白矮星。当时这一看法没有得到多数天文学家的支持！观测表明：天狼星是一颗目视双星，由主星天狼星A和伴星天狼星B组成。天狼星A是冬季夜空里最亮的一颗恒星，目视星等为-1.74等，绝对星等为+1.43等。天狼星A是一颗位于主序星带上的恒星、颜色为蓝白色。体积略大于太阳
4、，直径是太阳的1.7倍。天狼星A的表面温度约是太阳表面温度的2倍,高达10000。天狼星A与它的伴星天狼星B的图片 （天狼星B是第一颗被证认的白矮星）天狼星B 1836年，德国天文学家贝塞耳发现天狼星自行呈波浪式的变化,并由此推断天狼星有一颗看不到伴星。1862年，美国天文望远镜制造专家克拉克用他新研制的25cm口径望远镜发现了这颗伴星,取名为天狼星B。原来的子星称为天狼星A。天狼星B 的视星等为+8.64等、绝对星等为+11.33等。质量是1.05太阳质量、半径只有410km、体积是太阳的百万分之一、但它的密度却是太阳平均密度的100万倍。天狼星B是人类发现的第一颗白矮星。2、白矮星的物理特
5、征1)、光谱 白矮星大多都是A型光谱,发出白颜色的光，而且半径特别小,所以称为白矮星。2)、质量上限 1934年印度人钱德拉塞卡(1930年剑桥大学理论物理研究生)，根据广义相对论完全简并态电子物态方程,推导出白矮星质量上限为1.4个太阳质量。目前,已被确认的白矮星质量都小于这个质量极限值，介于0.31.2太阳质量之间。3)、半径 太阳半径的百万分之一,平均和地球大小相近(510 km)。4)、密度 1010kg/cm 平均密度高达 10kg/cm 5)、表面温度 510510K三、白矮星的引力红移现象的检测 天狼星B可以说是第一个被观测确定为白矮星的天体。符合白矮星的物理特性，体积小,密度大
6、,温度高和呈白颜色。当时的天体物理学理论，还没有办法解释天狼星B高密状态是怎样形成的？观测首先发现了白矮星。1、引力红移概念 1915年，爱因斯坦广义相对论发表。按广义相对论理论,在远离引力场的地方观测引力场内的辐射源发射出来的光线时,光谱中的谱线会向红端移动。即同一条原子谱线比没有强引力场情况时波长变长(红移量与光源和观测者间引力势差成正比),这种现象称为引力红移。（以此与多普勒红移相区别）1）、引力红移产生的原因 由于光子在强引力场中运动，要克服引力作用而造成能量的减少。光子能量与频率成正比，能量减少意味频率降低，波长向红端位移。2）、引力红移量Z 的计算公式 根据广义相对论导出的红移公式
7、的一级近似公式 Z=()/=G m/c R ：频率 或 Z=-/=G m/c R ：波长 3）、将太阳的质量和半径 R 带入上式，则得出地面观测太阳光时的 红移量Z为2.1210-。由上面公式可以得出：天体质量m越大、半径R越小则红移量Z就越大。2、白矮星的引力红移 白矮星由于半径小、密度大、引力场很强、光子离开表面因克服引力要损失相当的能量。一个光子的能量与它的频率成正比,能量减少频率降低,波长就变长。白矮星谱线红移不是由于光源运动形成的,所以称为引力红移,这是白矮星的一个奇异物理特性。为进一步确认天狼星B是致密星,剑桥大学天文学教授爱丁顿借助广义相对论关于引力红移的预言加以验证。爱丁顿建议
8、正在研究天狼星B的亚当斯（爱丁顿的学生），对天狼星进行光谱观测研究。3、天狼星B的引力红移检测结果 根据广义相对论导出的红移公式的一级近似公式 Z=-/=G m/c R ：波长 将太阳的质量和半径 R 带入上式，则地面观测太阳光时 红移量 Z应为2.1210-。天狼星B质量与太阳质量相当，但半径才是太阳的1%，因此天狼星B的红移量至少比太阳大100倍。天狼星B引力红移现象应当能检测到。亚当斯于1925年测出了天狼星B谱线的引力红移效应,而且红移量与爱因斯坦理论预言一致。这一结果证实了天狼星B是一颗质量大,体积小的致密星，天狼星B是一颗典型的白矮星确定无疑。四、钱德拉塞卡“白矮星”质量上限1、钱
9、德拉塞卡 美籍印度裔天体物理学家。1910年10月19日出生于巴基斯坦，1916年迁居印度。1953年加入美国籍。73时获得1983年度诺贝尔物理学奖。1995年8月去世,享年85岁。1930年，钱德拉塞卡毕业于印度马德拉斯大学。大学时（17岁）就开始自学广义相对论和量子统计学等近代物理学前沿和新的研究成果。1928年，年仅18岁的钱德拉塞卡就有一篇题为“康普顿散射和新统计学”的论文发表在英国皇家学会论文集上。这篇论文引起剑桥大学老师的兴趣，钱德拉塞卡1930年被剑桥大学录取为理论物理研究生。2、钱德拉塞卡的“白矮星”理论 1934年，钱德拉塞卡完成一篇关于白矮星的论文并提交英国皇家天文学会。
10、1935年1月，皇家天文学会召开学术会议，钱德拉塞卡获得会上报告机会。他在报告中，讨论了恒星演化过程中，当恒星的核燃料耗尽了以后会变成什么？当一颗恒星的气体被压缩直至它们的电子以接近光的速度运动（被称为相对论性兼并状态）时，会发生什么现象？钱德拉塞卡的结论是：一颗质量大的星体不会停留在白矮星阶段，应该考虑到其它的可能性。提出白矮星质量有1.4太阳质量上限。报告前，钱德拉塞卡期望能得到剑桥大学天文学教授爱丁顿的支持和肯定。因为爱丁顿是恒星结构理论的奠基人，又是第一个提出天狼星B是一颗白矮星的学者。同时，爱丁顿和他的学生亚当斯在天狼星B 中检测到了，广义相对论预言的引力红移现象、并从理论上证明天狼
11、星B是一颗白矮星的学者。爱丁顿又是广义相对论关于光线引力偏折预言，通过1919年5月29日的日全食，在 西非和巴西两个日食观测队进行验证的组织者，两个观测队观测结果与爱因斯坦预言一致。使爱因斯坦成为家喻户晓人物。3、钱德拉塞卡论文遭封杀 爱丁顿对钱德拉塞卡这一研究成果采取了全面封杀，不给报告机会、甚至当场把论文撕成二半。爱丁顿宣称钱德拉塞卡的理论”全盘皆错“、“根本不存在什么相对论兼并态”和“白矮星质量上限”的结论。从1935年起，有二次学术会议报告论文的机会，全被爱丁顿封杀掉，甚至连申辩的机会都不给。直到1939年8月，国际天文学会（IAU）在巴黎召开白矮星和超新星专题会议。钱德拉塞卡才获得
12、在大会报告的机会，他全面介绍自己的白矮星理论并指出爱丁顿理论的错误所在，赢得了许多人的支持和肯定。4、钱德拉塞卡与爱丁顿争论的科学意义 争论无疑推动了天体物理学的发展 任何一种新理论总是需要时间来验证。天文学理论更需要天文观测给出理论的依据。目前，发现的一千多颗白矮星没有一颗超过1.4个太阳质量即钱德拉塞卡质量上限。现在公认，质量更大的老年恒星演化成比白矮星密度更大的天体：即中子星和黑洞。而且天文学在宇宙空间找到了中子星、理论和天文观测证实了中子星存在。找到了众多的黑洞候选体，推动黑洞理论研究和观测实践。钱德拉塞卡由于在恒星结构和演化理论上的贡献，特别是白矮星质量上限以及提出更大质量恒星归宿等
13、论断，获得1983年度诺贝尔物理学奖。钱德拉塞卡获得诺贝尔奖时，时年已经73岁。钱德拉塞卡年轻时就闻名于世，一生获得许多荣誉和奖励。但诺贝尔奖是他是最高的荣誉。1995年8月，钱德拉塞卡去世,享年85岁。钱德拉塞卡没有因为自己受到爱丁顿压制、研究成果被爱丁顿封杀而记恨爱丁顿。当1944年爱丁顿去世时，钱德拉塞卡还前去吊唁，并写出一篇赞扬爱丁顿一生的悼文。爱丁顿生于1882年12月28日，1944年11月22日去世。终年62岁。英国剑桥大学天文学教授、国际著名天文学家。1938年，他开始担任国际天文学联合会主席，一直到他去世。国际著名天文学家爱丁顿5、爱丁顿一生无缘诺贝尔物理学奖 爱丁顿是英国剑
14、桥大学天文学教授、国际著名的天文学家、也是物理学家和数学家。爱丁顿1882年12月出生，1944年11月逝世。爱丁顿1938年开始，担任了国际天文学联合会（IAU）主席，直到1944年去世。爱丁顿著作有恒星和原子、恒星内部结构、基本理论、科学和未知世界、膨胀着的宇宙：天文学的重要数据、质子和电子的相对论、物理世界的性质、科学的新道路等。1）、爱丁顿是恒星结构理论的奠基人，他提出氢转变成氦是恒星能量的可能源泉。2）、爱丁顿是第一个用英语宣讲相对论的科学家。3）、1919年，爱丁顿写了“重力的相对理论报导”，第一次向英语世界介绍了爱因斯坦的广义相对论理论。4）爱丁顿一生受爱因斯坦广义相对论影响极深
15、，并为此理论作出了两项天文实验验证。A、他组织和观测了1919年的日全食并提交了一份观测报告。结论，爱因斯坦在广义相对论中所作的一项极为精确的光线引力偏折预言被成功地观察到了。B、爱丁顿是第一个提出天狼星B是一颗白矮星的学者，并且通过引力红移检测证实了。1924年，应爱丁顿的要求，他的学生亚当斯探测并量度了天狼星B的谱线波长的偏移，从而证实了爱因斯坦的预言恒星光线由于引力场的作用而产生红移，即引力红移。理论观测证明天狼星B是一颗典型白矮星。5）、爱丁顿作了许多工作把爱因斯坦的理论建筑在严格坚实的实验基础之上。在他的相对论的数学原理中，爱丁顿还极为精辟地阐述了广义相对论这一理论。然而，以爱丁顿在
16、广义相对论实验验证中，工作独创性不够为理由，没有能获得诺贝尔物理学奖。但是，爱丁顿对广义相对论验证和推广贡献不可埋没。五、白矮星与行星状星云 人类发现的第一个行星状星云是1779年。该星云是由赫歇尔首先发现的,在望远镜中看起来像木星或土星那样的略带颜色而有清晰的小园面,赫歇尔把它称为行星状星云。下图为1779年赫歇尔首先发现的行星状星云 著名的天琴座行星状星云 行星状星云 是类太阳的恒星(即质量与太阳质量相似)演化到红巨星阶段到晚期的产物。在行星状星云的中央部分都可以观测到一颗高温的恒星，称为行星状星云的中央星或核心星。大量观测表明，行星状星云的中央星是一颗致密的白矮星（黑矮星）。研究表明：行
17、星状星云都在不断的膨胀,膨胀速度大约在1050km/秒,按照这个速度膨胀,行星状星云越来越稀薄。行星状星云的寿命可能只有几万年!目前,在银河系中已经发现1200多个行星状星云,估计银河系约有45万个行星状星云。在临近河外星系中也发现了数以百计的行星状星云。六、白矮星与Ia型超新星I a型超新星形成的双星模型 1、I a型超新星 I a型超新星是一颗质量小于钱德拉塞卡质量极限，即小于1.4太阳质量的白矮星。由于吸积它的伴星(与它构成双星系统或聚星系统的恒星)的物质,质量不断增大。当这颗白矮星质量增大到超过钱德拉塞卡白矮星质量上限时即1.4太阳质量时，这颗白矮星将发生爆炸形成超新星爆发，称为I a
18、型超新星。这类超新星爆炸前的质量都差不多，都是在将超过1.4个太阳质量时爆发。爆发的规模和释放出来辐射能量也都差不多，即它们的光度L或绝对星等M应该。#所有Ia型超新星的光度值L即绝对星等M应当相等。2、Ia型超新星当作一个新标准烛光 理论上：只要知道一颗Ia型超新星的精确距离r 值，通过观测得到该星的视星等m，由公式：M=m+5-5 r 就可求得绝对星等M。所有Ia型超新星的绝对相等，目前 M 取值20等。同理：由观测得到某一颗Ia型超新星的视星等m 由公式：M=m+5-5 r 就 可得到该星距离 r。由此可知：观测到（即看到的）的比较亮的Ia型超新星，离我们应比较近；比较暗的Ia型超新星，
19、应该离我们比较远。天文学将Ia型超新星当作一个新的标准烛光。3、宇宙加速膨胀与Ia型超新星标准烛光 通过Ia型超新星这把新的量天尺,重新估算了遥远星系的距离。#由于 Ia型超新星的绝对星等M已知，通过观测得到星系内Ia型超新星的视星等m,再由公式M=m+5 5 r 可得到该星系的距离r。需要指出的是：这里已知绝对星等M，是根据钱德拉塞卡“白矮星”的质量上限（即 1.4个太阳质量）确定的。绝对星等M值对所有的Ia型超新星是否都成立？4、Ia型超新星标准烛光与哈勃常数 哈勃定律：即星系退行速度与距离有明显的线性关系。距离越远的河外星系远离的速度越大。这就是 哈勃定律=H X H 哈勃常数 距离；确定哈勃定律时，距离主要是由造父变星的光变周期P求出绝对星等M,再由M求距离。利用造父变星测距离测距的步骤：A、根据造父变星周光关系式求绝对星等M M=-1.80-1.74 P （周期P 由观测得到）B、由绝对星等M、观测的视星等m、距离 三者间的关系式求距离 M=m+5-5 问题：由造父变星求的距离与由观测得到的星系红移量Z再通过哈勃定律求的距离；以及根据Ia型超新星标准烛光（绝对星等M）求得距离，三者之间的系统误差的大小？