关灯
登录后可将在线时长兑换成盟币 ,连续在线 [1] 小时后,每小时 [0.5] 盟币.
×

你已累计兑换次数 0

你已累计兑换积分 0盟币

[资料] 统一场论(天体物理2)

[复制链接]
henryharry2 发表于 2012-12-28 07:16:11 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
人类自诞生之日起,就对浩瀚的宇宙充满了敬畏和好奇,在蒙昧无知的古老年代,人类把宇宙看成神灵,而今天,我们可以有遥望宇宙的千里眼,有直径达100米的射电望远镜,甚至可以驾驶着飞船遨游太空。但是,宇宙是如何诞生的?黑洞间歇泉是什么?地球会成为第二颗金星吗?到底有没有外星生命?……越是深入研究宇宙,越是发现有无穷的秘密待我们去揭开,而这本书就是科普爱好者揭开这些秘密的首选读物。
75_7800_7e975e36157e367.jpg
回复

使用道具 举报

 

精彩评论105

正序浏览
henryharry2 发表于 2012-12-28 07:18:02 | 显示全部楼层

色球与日冕

 
在色球闪光光谱中发现有氢原子在很多波长处发的光,氦原子的发射以及氦和很多种金属原子被轻度电离后发射的光等等。太阳物理学家分析这些发射谱和连续谱,得知了太阳色球层的状态。令人不解的是,色球层的温度不是从里向外降低,而是很快地升高,从底部的4300开,向外2500千米高度处升到几万开。这怎么解释呢?热量是从哪里来的呢?有人认为能量来自色球下面的波动,也有人提出来自磁场,这仍是一个尚未解决的难题。

我们发现,这其实是一个轴矢量(引力)量子化效应,从等效原理的量子表述m/m=1,我们知道,太阳的引力场很强,相当于分子上的m很大,因此会有很强的自旋-轨道耦合效应。这有点类似于熵波,熵波的超流体与正常流体的质量流互相抵消传递的,超流部分向一个方向流动,而正常流部分向相反方向流动。但是爱因斯坦等效原理的量子表述,允许产生一个无质量流,自旋部分向一个方向传递,而轨道部分携带的自旋向相反方向流动。

我们知道,可以通过一个类Stokes定理将热运动吸收到自旋中,这样,等效原理意味着可以通过传递自旋来传递热量。另一方面,随着太阳大气高度的增加,质量密度快速降低,而自旋传递的热量又与分母上的质量成反比,从而导致色球层温度快速升高。由于轴矢量场的自旋不服从费米-Dirac统计,可以在温度很高的情况下实现,正如氦4超流比氦3超流的实现温度高得多一样,另外,铁磁性可以在室温下实现,在太阳环境下可以通过自旋传热。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-12-28 07:21:35 | 显示全部楼层

星系与黑洞的成长史

 
在无核球星系中找到中等质量黑洞,或许可以解释大黑洞与大核球之间的关联。如前文所述,大型带核球星系中的超大质量黑洞通常都占核球质量的千分之一,似乎这些黑洞的成长与核球的成长具有某种内在联系,如果这种关联是在核球形成过程中建立起来的,那么无核球星系和其中的中等质量黑洞间应该不存在这种关联。
对于带核球星系中,黑洞与核球为何有这种紧密关系,一种主流的解释是,椭圆星系和大型核球是通过碟状星系合并形成的。在合并过程中,引力搅动两个星系盘,使得恒星脱离原先的圆形轨道,最终形成球形分布(这解释了椭圆星系或核球的外形)。气体云在合并过程中则相互碰撞,向核球中心聚集,导致恒星爆发式形成,从而增加了核球中恒星的总质量。

同时,来自两个星系中心的黑洞也融合到一起,并吞食星系中心的气体云。通过星系合并过程中的这种大尺度行为,大型球核与超大质量黑洞不断生长并同步演化。当黑洞质量达到核球质量的千分之一时,它“吹风机”的能力超过了吸积能力,周围残存的气体被吹出星系中心,加速生长也随之结束。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-12-28 07:22:07 | 显示全部楼层

星系池塘中的涟漪

 
大部分人以为,我们所在的银河系是一个纯粹的旋涡星系。不过,天文学家现在知道,它其实是一个棒旋星系(barred spiral)。近年来利用近红外光所做的巡天观测,已经直接揭示出恒星棒的存在,打消了人们残存的疑虑。看起来,棒和旋涡似乎是永恒不变的实体,但实际上,它们是动态的图案,是在恒星、尘埃和气体盘中荡漾的波纹。人们最熟知的“变形”过程是星系的吞并:与一个近邻星系的并合,可以把一个规整的旋涡星系,变成凌乱有如蜂群的椭圆星系。

密度波理论解释了棒和旋涡结构持久存在的方式,不过就在林家翘和徐遐生提出这个理论后不久,它就陷入了自己制造的麻烦当中。美国MIT的Alar Toomre注意到,这些波纹会在星际气体中产生激波,从而损失能量,因此必须有某些东西给它们重新提供能量。更加复杂的波纹运动提供了一种解释:在星系中盘旋的波纹并非只有一遍,多道波纹也可以向内外两个方向传播。共转圈起到了分界面的作用,既可以反射,又能够传递这些波纹,使它们可以从星系整体的旋转动能中汲取能量。波纹可以在中心区域来回反弹,越变越强,就像身处在一个宇宙回音室中。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-12-28 07:22:40 | 显示全部楼层

搅动波纹

 
这种复杂的波纹放大和反射机制是一个看似合理的假说,不过它的方程非常复杂,除非加上严苛的近似条件,否则无法精确求解。因此天文学家不得不采用计算机数值模拟的方法,这绝对不是一件轻松的工作。早期的努力表明,多余的复杂波纹非但不能挽救旋涡结构,事实上还会加速它的瓦解。起先旋涡结构会演化形成,但很快就会消失,只剩下一个棒状结构。理论学家无法找到一种方法,既不违背其他的观测数据,又能避免棒的形成。
到20世纪80年代,这种不太令人满意的情况终于彻底改变,当时在模拟中加入了另一项因素——气体。因为气体还不到旋涡星系总质量的10%,所以为了使模拟更容易操作,此前建立的模型都忽略了气体。可是气体所起的动力学作用与它的质量比重不成比例。星际气体云经常发生碰撞,将它们的动能转化为激波和辐射,而后平静下来。因此气体云更容易受到波纹不稳定性的影响。相反,恒星极少相撞,因此它们的相对速度可以千差万别,在穿越波纹时也更不易受到影响。
一旦人们把气体考虑进来,模拟立刻就产生了丰富多样的星系形态。由恒星棒施加的转矩(torque)就像一个巨型搅拌器,连续不断地驱动着气体中的一个旋涡结构。这个旋涡结构不会像早期模拟中的旋涡结构那样消失不见。此外,富含气体的波纹还为星系天文学中许多长期得不到解答的难题找到了解决之道。首先,它们解释了旋臂前缘尘埃带的存在。因为碰撞,这些气体(混杂着尘埃)没能与恒星保持一致:它们损失了轨道能量,落向星系中心,并且跑到了旋臂中恒星的前方。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-12-28 07:23:13 | 显示全部楼层

搅动波纹

 
在恒星棒短短几圈的旋转中,能量损耗会把气体一直拖到星系的中心,这段时间通常约为十亿年。气体会在星系的中心形成新的恒星。因此,波纹解释了星系中心长期居高不下的恒星形成率,也许还能解开中央黑洞的燃料补给之谜。将物质灌入黑洞并不像想象的那样轻而易举。尽管星系总想把自身的引力势能降到最低,从而将质量聚集到星系的中心,但旋转和由此产生的离心力会与那些引力相抗衡。

天文学家已经观测到气体大团大团地落入黑洞之中。波纹可以分两步实现这个加注燃料的过程。首先,随着气体的下落,它会达到一种共振状态,在那里与恒星棒保持一致,从而免受转矩的影响。气体堆积成一个圆环,形成新的恒星;然而,圆环内侧的气体和恒星会形成它们自己的小型棒状波纹。这种迷你恒星棒将气体倾泻到黑洞之中。在我们的银河系中,这种棒状结构已经在近红外巡天中露出了马脚。因此,这些波纹并不只是美丽的装饰,它让我们的星系得以成长。
恒星棒不仅在星系盘内部搬运着物质,它还能将物质垂直抬升到星系盘以外。在某些区域,恒星垂直于星系盘面的上下振荡,与它们穿越恒星棒的频率刚好相同,从而达到某种共振。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-12-28 07:23:49 | 显示全部楼层

瓦解星棒

 
讽刺的是,通过将物质拖入星系的核心,棒状结构自身也在走向毁灭。堆积起来的质量驱散了恒星,打乱了它们整齐的公转步调,破坏了恒星棒存在的前提。在只考虑恒星的模拟中看似过于结实的棒状结构,在加进气体成分之后却变得相当脆弱。果真如此的话,天文学家看到的大量有棒星系又该如何解释?在可见光照片中,2/3的星系显示出棒状结构,2002年的近红外巡天观测将这个比例提升到3/4。

在密度波理论中,一个额外的假设就是,棒状结构是在一个连续不断的循环之中形成、瓦解,然后又再度形成的。解释“棒”的重生是一个挑战。星系必须经过相当程度的演化,才能从恒星棒最初瓦解的状况中恢复过来。特别是恒星的轨道必须经过重新整理,变成一种相对速度较低的规则模式。让星系吸积大量的星系际气体是一种可行的办法。随着气体下落,它们会发生碰撞,损失能量,将自身的轨道调整得更加规则。这个过程所需的气体总量非常庞大:为了以正确的频率重新形成恒星棒,一个典型的星系必须在100亿年的时间内,使自身质量增加一倍。
另一种更为人熟知的星系积聚质量的方式是吞食,也就是星系之间的逐次并合。尽管同样非常重要,但这个过程却是破坏性的。较大的并合会抹去星系的盘状结构,代之以椭圆星系。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-12-28 07:24:23 | 显示全部楼层

暗黑天体扭曲银河

 
时至今日,暗物质仍一如既往的神秘,科学家对它的猜测也是五花八门——最保守的假设是,暗物质由一种还未被粒子加速器发现的奇异粒子组成;而最前卫的解释是,牛顿引力理论和爱因斯坦的广义相对论是错误的,或者说,至少需要一些修正。

无论暗物质的本质是什么,它已经为我们提供了线索,去解开银河系中一些困惑科学家已久的谜题,让我们弄清楚银河系为何会具有现在这些特征。

早在半个多世纪前,天文学家就观察到,银河系外围非常扭曲,就像被火烧过的塑料唱片。但是,他们一直未能通过合适的模型来解释这种扭曲,直到将暗物质的影响考虑进来之后,这种尝试才得以成功。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-12-28 07:24:57 | 显示全部楼层

更微妙的线索

 
星流会被银河系逐渐吸收,最终化为无形。如此看来,人马座矮星系等卫星星系在银河系的构建过程中做出过贡献。这些发现彻底改变了天文学家原先对星系形成的理论认识:他们曾经认为,按照大爆炸理论,所有的星系都直接起源于(大爆炸理论认为的)原始宇宙中几乎察觉不到的物质密度涨落(天文学家观测证实,宇宙各处的物质密度几乎相同,仅有大约万分之三的差异),其后便经历了早期的雪崩式生长,很快演化成现在这幅模样。

现在,基于对星流的观测,研究人员普遍认为,只有质量不超过10亿倍太阳的矮星系经历了这样的快速形成过程;像银河系这样质量相当于千亿颗太阳的大型星系,则是后来通过吸积和吞并矮星系而逐渐形成的。这种吞并过程一直持续至今。这种演化模型不利于大爆炸理论,因为旋涡星系的形成需要一个相当久远的时间(可能有数十亿至数百亿年),哈勃极深场观察到132亿年前的旋涡星系,观察结果有利于我们的准稳恒态宇宙模型。

银河系吞噬近邻星系的过程被天文学家抓了个正着,他们又提出了更加深入的问题:这些古老的星系“建筑原料”具有什么样的化学组成?现在的大型星系中“星际移民”和“土著居民”的比例是多少?这些小星系带来的化学元素如何改变银河系的演化历史?
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
 楼主| henryharry2 发表于 2012-12-28 07:27:24 | 显示全部楼层

Poynting矢量

 
作为另一个例子,试问在一根有阻导线中当它载着电流时将会有什么情况发生。既然这根导线中有电阻,则沿该线方向便有一个驱动着电流的电场。由于该线有一电势降,因而刚好在导线外面与其表面平行的,也就有一电场(见图27-5)。此外,还有一个由电流所产生的环绕着导线的磁场。E和B互成直角;因此就有一个径向而指向内的Poynting矢量,如图中所示。即有一个从四面八方流进该导线的能流。当然,这会等于在导线中以热的形式损耗掉的能量。因此,我们的“狂妄”理论申述:电子由于来自外面的场能量流进导线中来才获得它们用以产生热的那些能量。直觉似乎告诉我们,电子是由于沿着导线被推动才获得能量的,因而这能量应该是沿导线流下(或流上)。但这一理论却申述:电子实际上受一个来自远处的某些电荷之场所推动,而它们就是从这些场获得了会发生热之能量的。能量总会莫明其妙地从遥远处的电荷那里流进于空间中一个广阔的区域里,然后又流进导线中去。
temp.jpg
图27-5 在一根载流导线附近的Poynting矢量S
回复 支持 反对

使用道具 举报

 
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则


2威望

1576盟币

4关注

3粉丝

19帖子

排行榜
作者专栏

关注我们:微信订阅号

官方微信

APP下载

全国服务热线:

4000-018-018
Copyright   ©2005-2018  博研网Powered by©Myboyan.com    ( 粤ICP备10062441号 )