香港科技大學天文學會講座

香港科技大學天文學會講座2003 年 10 月 28 日從雙星談到奇異星體香港科技大學物理系

王國彝教授大綱 :* 大犬座天狼星及其他例子* 英仙座大陵五 ( 食雙星 )*PSR1913+16( 脈衝雙星 )* 天鵝座 X-1( 雙星系統中的黑洞 )*NGC6240( 雙超級黑洞系統 )

HKUST Astronomy Club 2

1. 大犬座天狼星及其他例子


雙星太陽是一顆單獨存在的恆星 ; 但雙星系統在宇宙中十分普遍，近一半以上的恆星都是有伴

星相隨的


木星如果在太陽系形成的時候，木星剛巧大得足以成為小太陽，

太陽系也會成為雙星系統


雙子座北河二 1803 年，赫紹耳 (William Herschel) 發現的第一個雙星系統


北河二雙星的軌跡


雙雙星系統 ?

開陽 , 北斗六

開陽增一

開陽和開陽增一都是雙星系統，所以是”雙雙星系統”


距離不遠

Gliese623 位於武仙座，離太陽系只有 25 光年兩星相距約 2AU Gliese623b 比太陽暗 60,000 倍，輕 10 倍 ( 紅矮

星 )


天鵝座


天鵝座 61


一月一日下午九時從香港向東南偏東觀看的天狼星( 黑色 ) ，天狼星是大犬座的主星，位於大犬座的頸部。


例 : 天狼 A 是雙星系統中質量較大的星體，它的同伴是一顆白矮星，最近才被發現。

Sirius ( 天狼星 ):著名的目視雙星


在 Ball 場中


關燈之後


翩翩舞姿當雙星在軌跡運行時，它們

的質心保持不變。質心位於兩星連成的直綫上。它們的距離與質量成反比

BBAA rMrM


緊握臂彎他們的旋轉動作是靠他們互相緊握的力來維

繫的。

這力是向心力，沒有這作用力維持，他們就會各散東西了。

把雙星拉在一起的力是萬有引力，是由星體的質量決定的。


力 ─ 和質量 ─ 有多大 ?

2

3

BA P

aMM

如果兩星之間的距離很大，扣緊雙星的作用力應是大的。如果兩星旋轉得很快，扣緊雙星的作用力也應是大的。事實上，開普勒定律告訴我們。

雙星提供了直接量度星體質量的唯一的方法。


2. 英仙座大陵五 ( 食雙星 )


大陵五 (Algol)

英仙座大陵五是魔女 Medusa 的眼睛


食雙星

如果雙星軌道平面與視綫平行，星光就可被伴星阻擋，形成食雙星。

如果雙星太接近，會被誤認為單一星體。

當星食發生時，亮度減弱。當星食結束時，亮度恢復。


有大有小

熱星在前冷星在前

大低點：當温度較低的星體在前方，阻擋的光較多，亮度減弱較深。

小低點：當温度較高的星體在前方，阻擋的光較少，亮度減弱較淺。


更多資料觀測星體的多卜勒效應，可以找出它們的速率。觀測小星橫越大星的時間，可量大星直徑。觀測星食初現 ( 或減退 ) 的時間，可量小星直徑。

星食初現星食減退

星食過程小星直徑

大星直徑


偏食

如果雙星軌跡與視綫成小角度，星食就不完全，形成偏食。

雙星 : 示範

欣賞食雙星的動畫示範：

http://www.phys.ust.hk/genphys/press/press-hkust.htm

( 香港物理學會中六學生專題研究獲獎作品 )

http://www.phys.ust.hk/genphys/press/press-hkust.htm


3. PSR1913+16 ( 脈沖雙星 )


甚麼是中子星 ?

恆星如同人一樣也有生與死；恆星由生到死這個過程被稱為「恆星演化」。

中子星就是「恆星演化」其中一個結果。


中子星如何形成 ? [1] 當一顆質量相當於 4 至 8倍太陽質量的恆星到達「恆星演化」的最後階段時，通常會以「超新星爆炸」來結束它的一生。


超新星爆炸一百億光年外的超新星爆炸 (已知最遠 ) 。


中子星如何形成 ? [2] 超新星爆炸後，恆星的核心便會變成中子星。

中子星的質量高於 1.4 倍太陽質量，但低於 3 倍太陽質量。


中子星有何特別 ? [1] 在中子星內重力非常大，大得可以令質子和電子融合成中子。


中子星有何特別 ? [2] 由於中子星已是「恆

星演化」的盡頭，所以不會像太陽般發光。

中子星的體積很小，直徑不超過 30 公里，不過質量卻超過太陽 !


一個太陽質量的中子星，約有十公里大小

中子星有何特別 ? [3]


中子星有何特別 ? [4] 由於中子星體積小、質量大，它的密度也大得驚人。

一立方公分的中子星物質，竟重達 10億多噸！綠豆般大小的東西要 1萬艘萬噸輪船才承受得起


中子星的例子 [1] 一顆距離地球最近的中子

星，位於南冕座。

這顆中子星的密度是鋼鐵的一百億兆倍 !


中子星的例子 [2] 蟹狀星雲中的中子星。中間兩顆亮星中靠左的那

一顆就是中子星，直徑約為 10 公里，質量約與太陽相當。


甚麼是脈衝星 ? [1] 脈衝星其實就是高速旋轉的中子星。

由於中子星的體積細小，兩極的磁場被強烈的擠壓，形成了兩極強大的輻射和噴流現象。


脈衝星是如何被發現 ? [1]

1967年，英國劍橋大學的研究生約塞琳‧貝爾 (Jocelyn Bell) 從外太空接收到一連串有規律的電波脈衝，從而發現脈衝星。


脈衝星是如何被發現 ? [2]

他們起初不知道是脈衝星的訊號，還以為是外星人的訊息，並給了脈衝星一個有趣的名字─「小綠人」 ( Little Green Men ) 。


脈衝星有何特別 ? [1] 脈衝星放射脈衝的周期極為穩定，足以與世界上最好的原子鐘相媲美。

至今已發現 350多個脈衝星，脈衝訊號的週期多在 0.0016-4秒之間。


脈衝星有何特別 ? [2]

不同的脈衝星會放射出不同的電磁波，例如無線電波、紅外線、 x 光等。


脈衝星有何特別 ? [3]

低頻脈衝PSR0329+14: 周期為 0.715秒

中頻脈衝PSR0833-45: 位於船帆座超新星殘骸 , 周期為 89.3毫秒

高頻脈衝PSR1937+21: 已知最高頻脈衝的脈衝星 , 周期為 1.56毫秒 , 或頻率為 640赫


燈塔效應 (lighthouse effect) [1]

由於脈衝星只向兩極的方向放射電磁波，所以只有在被它放射的電磁波的範圍掃過的地方才可以探測到脈衝星的訊號。

這使到脈衝星就像宇宙之中的燈塔。


燈塔效應 (lighthouse effect) [2]

脈衝星的結構


燈塔效應 (lighthouse effect) [3] 模擬脈衝星的運動


蟹狀星雲脈衝星的吸積盆和噴流


脈衝雙星


約瑟泰勒 (Joseph Taylor) 和羅素曉斯 (Russell Hulse) 發現首個脈衝雙星 PSR 1913+16

脈衝雙星的發現 [1]


脈衝雙星的發現 [2] 約瑟泰來和羅素曉斯於 1974 年利用位於阿雷西博的射電望遠鏡發現 PSR1913 + 16


脈衝雙星的發現 [2] 部分脈衝較其他脈衝早 3秒到達；

這現象稱為多普勒效應；

顯示有伴星存在；


多普勒效應 [1] 當一架警車經過的時候 , 它迎面過來所發出的聲波是比它

離開時所發出的為高走音 ??


多普勒效應 [2]

當發射器與接收器之間有一個相互接近的運動時我們所接收到的波長會下降頻率和音高會上升

當運動是相互離開時波長會上升頻率和音高會下降


多普勒效應 [3]


多普勒效應 [4]

當同樣的現象發生在這個雙星系統時

我們就是接收器

那個雙星系統就是發射器

這就能解釋為何我們所接收到來自那個雙星系統的訊號是有不同的頻率


脈衝雙星的軌跡 [1] PSR1913 + 16 自轉週期為 59毫秒，即每秒自轉 17次；公轉週期為 7.75 小時；質量約為 1.4 倍太陽質量；

300 km/s

75 km/s

745,000 km3,154,000 km

M = 1.4 Msun

R = 10 km


脈衝雙星的軌跡 [2]

進動 (Precession) 水星 :

每世紀 1.56 度

PSR1913+16:

每年 4.2 度


水星的橢圓軌跡環繞太陽進動



水星的進動大部分是由於其他行星的引力，但預測數據比觀測低 0.8% 。

根據愛因斯坦的廣義相對論，萬有引力會把時空扭曲。

接近太陽的位置，引力較大，曲率也較大，令橢圓軌跡變形。

相對論效應正好是 0.8%!接近太陽的位置，時空扭曲最大



脈衝雙星的軌跡 [5] 泰勒和曉斯發現周期越來越短，便提出能量是以引力波形式損耗。

觀測與愛因斯坦廣義相對論的推論吻合

泰勒和曉斯因而榮獲 1993年諾貝爾物理學獎

PSR 1913+16


萬有引力扭曲時空根據愛因斯坦的廣義相對論，萬有引力會把時空扭曲。扭曲的情況有如把一顆鋼珠放在橡皮表面，使平面彎曲。當其他物質經過扭曲的時空，其軌跡亦隨之改變。


雙重扭曲雙星系統中的兩星把時空扭曲，有如兩顆鋼珠放在橡皮表面。當雙星運行時，扭曲的時空也隨著轉動。轉動的扭曲面產生漣漪，以引力波形式向外傳播。


引力波 : 示範


引力波動畫


脈衝雙星的引力波效應 [1] 公轉週期每年減少 75微秒 ( 一微秒是等於一百萬分之一

秒 ); 軌跡每年縮減 3.1毫米 ;


恆星釋放引力波並損失能量；

兩顆星沿螺旋形的軌道緩慢地接近對方，最後 (3億年後 ) 發生碰撞，產生伽瑪射線爆發 (gamma ray burst) ，有可能形成黑洞並釋放大量引力波 ;

脈衝雙星的引力波效應 [2]


The Aluminum Bar Detector

Gravitational wave drives thebar in oscillationwith amplitudessmaller than thesize of nucleus

Weber Bar: 早期的引力波觀測

Joseph Weber (-2000)


引力波的觀測

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)

LISA


4. 天鵝座 X-1( 雙星系統中的黑洞 )


天鵝座 X-1 的發現

源頭範圍 (早期 )

源頭範圍 (修正 )

七十年代發現 72 年春，發現HDE226868射電源與 X射線源亮度相關


確定天鵝座 X-1 是雙星系統

多普勒效應顯示，雙星系統周期為 5.6 日

HDE226868 的亮度變化顯示，星體因 X-1潮汐力變長


高密度星體 ?

X射線可在極短時間內出現變化，顯示 X-1并非中子星

亮度變化受光速限制，顯示 X-1 很小


高密度星體 ?

引用開普勒定律，顯示 X-1 質量超過 7 個太陽質量

中子星質量最高不超過 4-5 個太陽質量

X-1 不可能是中子星

時至今日，已有 95% 把握確定 X-1 是黑洞


天鵝座 X-1

第一個被發現的黑洞，約有 9 個太陽質量，所以定是黑洞。


世紀大賭博

索恩 (Kip Thorne)

賭 : 天鵝座 x-1 是黑洞

霍金 (Stephen Hawking)

賭 : 天鵝座 X-1 不是黑洞


雙星系統中的高密度星體高密度星體包括白矮星、中子星和黑洞。白矮星：約 1 個太陽質量，大小如地球。中子星：約數個太陽質量，大小如一個城市。黑洞：約 10 個太陽質量，大小如香港島。體積細小，很難用光學方法觀察。可是，如果它們有同伴相隨，就會很容易發現。


循環演化白矮星 :

第一類超新星爆炸新星爆炸

中子星和黑洞 : 脈衝雙星的引力波 X-射線雙星 X-射線爆炸

高密度雙星系統中的奇特現象


Roche LobeStability points

Matter flows through here


More massive star at right

collapsed into a white dwarf

mass transfer back

mass transfer

緊密雙星系統中的演化


環繞黑洞的漩渦，有如洗手盆出水口的繞流，形成吸

積盆。

環繞黑洞的漩渦

See animation “Black Hole Geometry” (AN_13_49).


吸積盆的活動

輻射和氣體


兩類超新星第二類超新星爆炸發生於單個大質量星體死亡時

第一類超新星爆炸發生於緊密雙星系統中的白矮星這類系統的雙星是白矮星和紅巨星，白矮星吞食伴星的物質，

直至超過自己的臨界質量，引起爆炸


新星爆炸如果緊密雙星系統是白矮星和

紅巨星組成，除了第一類超新星爆炸，還有另一種可能性 :

白矮星吞食伴星的物質，物質積聚在表面，在足夠厚度時爆炸

爆炸後星體仍然存在，爆炸的循環得以持續稱為新星爆炸

See the animation “Recurrent Nova” (AN_12_45).

吸積盆

白矮星紅巨星


環繞高密度星體的漩渦摩擦令漩渦產生高熱，中心可達一百萬度。強烈 X射綫源頭


X- 射綫雙星中子星產生強引力場，可以吞噬同伴。例子：黑寡婦脈沖星


武仙座 X-1

周期 = 1.7 日 X-射線把伴星一面由 7000K加至 20000K.


X- 射線爆炸推測來自雙星系統中的中子星在吞食白矮星的過程中放射 x-射線例 : 球狀星團 NGC6624 中的 4U1820-30

可見光紫外光


5. NGC6240( 雙超級黑洞系統 )


鳴謝香港科技大學物理系嚴丞翊同學 (Boris)

王樂天同學 (Victor)

史裕文同學 (Kevin) 、余守仁同學 (Eric) 、麥健輝同學 (Fai)

邱雪雯同學 (Amy)

李子健先生 (Jack)

陳志華先生 (CW)

香港科技大學教學促進中心李穎思小姐 (Wanze)

方楊維美女士 (Mei)

http://physics.ust.hk/genphys/Mini-lecture/mini-lectures.htm

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