§20-4  致密天体

这里所说的致密天体包括白矮星、中子星和黑洞,它们都是晚期恒星演化到最后的产物,晚期恒星演化成这三种致密天体的哪一种,决定于晚期恒星的质量。这三种致密天体的共同特征是,为星体提供能量的核反应停止了,与星体自身引力相抗衡的张力已不复存在,引力坍缩致使星体体积缩小达到并处于超高密度、超大压力和超强磁场的极端物理条件之中。

一、白矮星

白矮星的质量一般都与太阳质量相近,在0.3 MS 到1.2 MS 的范围内,但大小与地球差不多,可见白矮星的密度是很高的,约为108 ~ 1012 kg×m-3 。提供能量的核反应虽然停止了,但白矮星的温度仍然很高,表面温度约为5´104 K,由于它的体积小,所以光度低,只有太阳的1/10到1/1000。

 白矮星的内部处于高温、高压条件下,构成物质的原子中电子的壳层结构被高压所破坏,电子全部脱离概率轨道而形成自由电子,并处于很高的能量状态,这样的电子称为简并电子。电子是费米子,必须遵从泡利不相容原理(见§17-4),每一个状态最多只能容纳一个电子,这些密度很大的自由电子之间必定在状态的占据上产生巨大的排斥作用,因而也就产生巨大的压强,这种压强称为简并压。电子的简并压与电子密度的5/3或4/3次方成正比,比理想气体的压强大得多。与强大的引力相抗衡的张力就是电子的简并压。

白矮星的质量上限是太阳质量的1.4倍,这就是说,大于此质量限的白矮星是不存在的,它将进一步坍缩并形成中子星或黑洞。这一质量极限称为钱德拉塞卡(S.Chandrasekhar)质量限。到目前为止,所有被观测到的白矮星的质量都小于这个极限值。

由于白矮星的半径小、密度大,引力场很强,所以会产生明显的引力红移现象。从一个半径为R、质量为M的白矮星表面上发出能量为hn 的光子,在无限远处接收到这个光子的能量为

                        .

式中G是万有引力常量。光子的质量可以表示为

mg = hn /c2,                  (20-11)

代入上式,得

                        .                (20-12)

所以,由于引力作用,在无限远处接收到的光的频率变小了,波长变长了,对应的光谱线向红端偏移,就是引力红移。根据上式,红移量可以表示为

                         .                   (20-13)

引力红移通常表示为与之相等价的多普勒红移,即

                         ,                   (20-14)

式中v是与等量引力红移相等价的光源的退行速度。上式可进一步化为

.              (20-15)

式中MS RS 分别是太阳的质量和半径。对于白矮星天狼星B和波江40,由上式算得引力红移分别为(91±8) km×s-1和(22±1) km×s-1,而由光谱分析或穆斯堡尔效应所测得的值分别是89 km×s-1和23.9 km×s-1,理论与观测相符。

       
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