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天体物理学 及其挑战

天体物理学 及其挑战. 徐仁新 北京大学物理学院天文学系. “ 天体物理 及其挑战 ” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新. 提 要. 引言： 什么是天体物理？ 若干天体对象概述 天体物理中重大挑战课题 结束语. “ 天体物理 及其挑战 ” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新. 什么是天体物理？. 什么是 天体物理 ？ 以“ 天体 ”为实验室来研究基本物理规律的科学 天体 ：宇观尺度的客体 为什么要做 天体物理 ？

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天体物理学 及其挑战

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Presentation Transcript

  1. 天体物理学及其挑战 徐仁新 北京大学物理学院天文学系 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  2. 提 要 • 引言：什么是天体物理？ • 若干天体对象概述 • 天体物理中重大挑战课题 • 结束语 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  3. 什么是天体物理？ • 什么是天体物理？ • 以“天体”为实验室来研究基本物理规律的科学 • 天体：宇观尺度的客体 • 为什么要做天体物理？ • 了解人类所处宇观环境 建立正确的世界观 • 检验、改善和发展物理学基本规律 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  4. 若干天体对象概述 • 天体的三个层次 • 太阳与太阳系 • 恒星与银河系 • 星系与宇宙 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  5. 若干天体对象概述 地球 月亮地平线上升起的地球 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  6. 若干天体对象概述 太阳系 日地平均距离 = 1天文单位 = 1.496×1013 厘米 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  7. 若干天体对象概述 恒星世界 恒星主要是以热压力平衡自引力的天体，质量越大半径也越大 比邻星：约4.3光年 1光年 = 9.46×1017 厘米 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  8. 若干天体对象概述 星团 若干恒星聚集成星团 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  9. 若干天体对象概述 银河系 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  10. 若干天体对象概述 星系分类 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  11. 若干天体对象概述 本星系群 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  12. 若干天体对象概述 星系集团 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  13. 若干天体对象概述 最遥远星系 距离百亿光年之遥，为我们带来早期宇宙的信息 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  14. Element Production 天体物理中重大挑战课题I. 宇宙创生：时间之始 宇宙时空的空间部分是均匀且各向同性的 •  RW度规 大爆炸 Einstein场方程 注：RW度规和场方程只要求不能是恒定的：膨胀或收缩。 Hubble星系退行的发现使人们相信“大爆炸”。 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  15. 天体物理中重大挑战课题I. 宇宙创生：时间之始 奇点 “大爆炸”简史 时空创生期（Planck时期：10-43s）的细节？会形成非单连通的时空拓朴结构吗？对目前的宇宙有何观测后果？ “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  16. 天体物理中重大挑战课题II.极早期宇宙的演化 辐射为主时期膨胀的动力学： 极早期宇宙是极高能物理的实验室：GUT粒子？对称性破缺与拓扑缺陷（宇宙弦、磁单极、畴壁）？Strangelet？ t0时T  “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  17. 天体物理中重大挑战课题III.暗物质与暗能量 动力学 暗重子 核合成 暗物质~32% 重子~5% 暗物质 发光<1% 暗能量~63% 测光 暗能量 宇宙加速膨胀 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  18. 天体物理中重大挑战课题IV.太阳系形成与生命起源天体物理中重大挑战课题IV.太阳系形成与生命起源 小质量恒星的形成 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  19. 天体物理中重大挑战课题IV.太阳系形成与生命起源天体物理中重大挑战课题IV.太阳系形成与生命起源 为什么可能存在的地外生命很多而我们却一个也没联系上？ 时标短：原因是社会科学的还是自然科学的？ • Titius-Bode定则？ Rn=0.4+0.32n-2, n = -, 2, 3, …, 9, (10). • 地球生命的起源？天生还是地生？ • 地外文明？ “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  20. 天体物理中重大挑战课题V.太阳中微子问题 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  21. 天体物理中重大挑战课题V.太阳中微子问题 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  22. 天体物理中重大挑战课题V.太阳中微子问题 SNO(Sudbury NO)探测原理：测8B中微子 只对电子中微子响应 对各类中微子同程度响应 对各类中微子响应，但以电子中微子响应为主 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  23. 天体物理中重大挑战课题V.太阳中微子问题 SNO测量结果：PRL2002, 89, 011301-1 带质量中微子！ “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  24. 天体物理中重大挑战课题V.太阳中微子问题 2002年Nobel物理学奖： 中微子窗口：Raymond Davis，Masatoshi Koshiba X射线窗口：Riccardo Giacconi 关于中微子的Nobel奖： Pauli 1930(1945) Rienes 1955(1995) D. & K. 1968-(2002) ? “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  25. 天体物理中重大挑战课题VI.中子星还是奇异星？天体物理中重大挑战课题VI.中子星还是奇异星？ Witten (1984), PRD, 30, 272 Haensel et al. (1986), A&A, 160, 121 Alcock et al. (1986), ApJ, 310, 261 Neutron Stars or Strange stars? Burning Phase Collapse Supernova Explosion “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  26. 天体物理中重大挑战课题VI.中子星还是奇异星？天体物理中重大挑战课题VI.中子星还是奇异星？ “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  27. 天体物理中重大挑战课题VI.中子星还是奇异星？天体物理中重大挑战课题VI.中子星还是奇异星？ • Possible ways for identifying SSs • Based upon: • The minimum rotation period • The mass-radius relation • The surface property “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  28. 天体物理中重大挑战课题VI.中子星还是奇异星？天体物理中重大挑战课题VI.中子星还是奇异星？ NASA News release (2002/4/10): RX J1856 a strange star? • Chandra “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  29. 天体物理中重大挑战课题VII. 黑洞：时间之终 黑洞: Einstein广义相对论预言的天体。 是一种存在奇性的时空区域，其性质完全由三个物理量（M、L、Q）确定。 M0, L=Q=0: Schwarzchild黑洞 M0, L0,Q=0: Kerr黑洞 M0, L=0, Q0: Reissner-Nordstrom黑洞 M0, L0Q0: Kerr-Newman黑洞 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  30. 天体物理中重大挑战课题VII. 黑洞：时间之终 平直时空 Schwartzchild 时空 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  31. 天体物理中重大挑战课题VII. 黑洞：时间之终 • 具有事件视界是黑洞的基本特征 • 存在不被视界包围的奇点(裸奇点)吗? • “宇宙监督者假设” • 尽管未能肯定，但人们相信它是成立的，以保证普通物理定律（如因果律）在黑洞之外适用 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  32. 天体物理中重大挑战课题VII. 黑洞：时间之终 • 从黑洞提取能量：Kerr黑洞 Penrose过程 E2 能层 E1 E0 黑洞 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  33. 天体物理中重大挑战课题VII. 黑洞：时间之终 • 黑洞视界面上的量子效应 • Penrose过程 超辐射散射“自发辐射”旋转黑洞视界面上粒子的产生 Schwartzchild黑洞粒子发射(Hawking, 1974) • Schwartzchild黑洞温度： “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  34. 天体物理中重大挑战课题VII. 黑洞：时间之终 • 黑洞的观测证认 • 引力透镜效应 • 黑洞形成、碰撞、大规模吸积：引力波探测 • 双星系统中的吸积：X射线双星 • 星系核黑洞的吸积：活动星系核 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  35. 天体物理中重大挑战课题VIII. 射线爆的本质 “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  36. 天体物理中重大挑战课题VIII. 射线爆的本质 • 观测特征 • 时间特征：多峰，~ 5 ms 到 ~ 5 103s (~10s) • 谱特征： ~ 10 keV 到 ~ 10 GeV (~0.1-1 MeV) • 空间特征：各向同行非均匀 • 余辉：X射线 （天），光学（月），射电（月） “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  37. 天体物理中重大挑战课题VIII. 射线爆的本质 • 理论研究I：相对论火球模型 • 内激波：  射线爆发 • 外激波（与ISM作用）：余辉 • 理论研究II：能源机制 • NS2 或 NS-BH 合并模型 (Narayan 1992) • Collapser (Hypernovae)模型 (Bodenhaimer & Woosley 1983) • Supernova:（Vietri & Stella 1998） “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

  38. 结束语 以天体为对象做物理学研究是值得的，其中充满着挑战！ “天体物理及其挑战” http://vega.bac.pku.edu.cn/~rxxu 徐仁新

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