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副标题：“从大爆炸到黑洞” “天体物理是干什么的？”

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本篇是 THU 的李昕宇教授在赋格酒吧的一次学术酒吧讲座活动的记录. 有关的信息：[学术酒吧活动](https://www.xiaohongshu.com/explore/68083338000000001c0143f8?app_platform=android\&ignoreEngage=true\&app_version=8.80.0\&share_from_user_hidden=true\&xsec_source=app_share\&type=normal\&xsec_token=CBbPB5pEU1iMb9bd64Rs8rYP7YSx5_1Gp1RKtZJzbCvmU=\&author_share=1\&xhsshare=WeixinSession\&shareRedId=ODtDMjs9Sk02NzUyOTgwNjdJOTpGNUs7\&apptime=1745412093\&share_id=2b9280a43de44ab89504694aeafd3cfd\&share_channel=wechat)

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## Lead - In

背景的这张图片就是恒星死亡后形成的一副绚丽的图景.

我们说到天文，就想到图片上的这些景象 —— 星轨、夜空、银河、猎户座……如果你有野营的经历，我们可能会对天空产生一些好奇：为什么天空是我们看到的样子？为什么星体是这样运行的？

为什么要研究天文学？

> 屈原《天问》、康德、……
>
> 我们的星空代表着一些不变的、永恒的东西，我们需要一些探索星空的人们，不仅仅出于学术的意义，更是实际的价值 (比如农业生产的纪年和授时，国防和军事的应用，导航和 GPS 等等)，还有人们的好奇心和想象力.

天文学家可能是现在最像大祭司的人. astrophysicists，究竟是什么样的人？在大众的眼光中，可能很多人认为他们是研究占星术的巫师，同学可能觉得他们是一群泡在图书馆里面的计算者，很多人也会以为是发射火箭和人造卫星的工程师，但是实际上天文学家们的工作更像一名码农.

推荐书籍：《最后的观星人》

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恒星在天上的位置基本上是静止不动的，然而行星却表现得非常调皮，能不能解释行星运动的规律呢？

> 托勒密提出了地心说和本轮的理论 —— 本轮 + 均轮$\times n$
>
> 哥白尼：日心说的观点 (哥白尼最开始认为地球绕太阳的运动是一个完美的圆形，这也导致这个理论的预测效果并不好)
>
> /Remark/
>
> > 实际上这两种观点没法说谁对谁错，毕竟 Newton 力学可以到处换参照系 (
>
> Kepler：行星运动三大定律
>
> Newton：万有引力定律

什么是科学？

> 卡尔波普：科学理论的本质在于可证伪性.
>
> * 托勒密理论中，我们预先是不知道要有多少个本轮和均轮，因此并不科学；
> * Newton 理论的伟大之处在于，它能够精确预测天王星和海王星的位置.
>
> 所以说科学理论实际上是一套方法论.

天体物理需要知道什么？

> 经典力学、四大力学、广义相对论、凝聚态、原子分子、微分方程、数值方法、数理统计 and so on. 什么时候用到就什么时候学.

天体物理研究什么？

> 从宇宙的大尺度结构，到小的天体，以至于高能的宇宙粒子等等.

## 恒星

有两个特点：

* 我们能看到它们在发光；
* 它们在星空中的位置基本不变.

我们身边最近的恒星就是太阳. 因此我们很多的恒星理论都来源于太阳.

太阳是一个气体构成的球，3 / 4 是氢，1 / 4 是氦，剩下的是金属 (天文中，我们把重元素叫做金属). 表面温度是 5000 度左右，内部可能达到百万度. 太阳中的气体都已经被电离，是一个等离子流体的状态.

太阳能够维持形状是因为气体的压强和光子气的光压.

太阳怎么发光？

::: tip

所谓“遇事不决，量子力学”.

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爱丁顿爵士指出，太阳内部的氢原子通过聚变形成氦核来释放能量发出光.

::: tip

曾经有一个人知道了恒星如何发光 (爱丁顿). 于是他和他的女友说了这件事“我现在是唯一一个知道它们为何发光的人”. Feynman 对此的评价是，他并不浪漫.

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氢核聚变需要很高的温度来开始点火，同时还要控制物质的范围. 恒星是通过自身巨大的质量来产生引力满足上面两个条件，而人类目前想到的唯一方法就是用磁场对等离子体进行束缚.

观众提问：如何证明聚变模型是正确的？

> 可以通过 neutrino 的探测. 当然这里有一个很有名的故事，就是 2 / 3 的 neutrino 消失的问题，当然这是粒子物理的，因为 neutrino 有三种 flavour.

## 大爆炸理论

宇宙从一个很小的点开始膨胀.

大尺度上是均匀的，但是有些许的物质不均匀分布，在引力的作用下，密度大的区域开始坍缩、吸引周围物质，形成恒星.

坍缩过程中形成的分子云还会进一步缩小，密度足够大时点燃星核. (如果点不燃，就会形成所谓的褐矮星).

既然是燃烧，总有烧完的那一刻. 烧完之后会发生什么呢？

> 没有光了 $\longrightarrow$ 没办法抵抗引力，因此会进一步收缩，有可能可以继续点燃氦、氧、碳，一直到铁 (铁的结合能最高). 但是如果在某一个阶段质量不够了，可能会进入别的发展进程.

【氦闪】氦核在瞬间被点燃，一个爆燃的状态. 但是只是理论结果，实际上对外界没什么影响，至少不会像《流浪地球》里面一样.

那么更重的元素如何产生？我们一会再说.

恒星死亡之后会一直坍缩吗？

Chandrasekhar 极限 (白矮星)，超过极限变成中子星，其中发生一种爆炸，产生 $\text{I}a$ 型超新星.

一般的模式是双星系统中存在一颗主序星和一颗白矮星，而且其间的距离小于洛希极限，它们中间有物质的转移，这就很容易产生 $\text{I}a$ 型超新星.

要研究这一类超新星的原因是它能够作为我们测量宇宙尺度距离的一种标准烛光.

人们测量了多少颗超新星得到了 Hubble 常数的 $3\sigma$ 置信度？

> 42 颗. 这刚好是《银河系漫游指南》里面的“宇宙的终极答案”.

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中子星的发现：1967 年 (女研究生发现，但是导师得了 Nobel Prize，是一桩歧视女性的历史公案).

中子星的温度大约为百万 Kelvin，密度达到 $10^{15}\text{ g/cm}^3$，表面磁场达到 $10^{12\sim15}\text{ G}$，内部全部都是由强相互作用控制. 我们还不能精确知道中子星的质量上限，现在大概是 $2\sim3$ 倍太阳质量左右.

中子星是通过射电脉冲发现的，这是如何产生的？我们还没有完全了解清楚这个机制，一般认为是带电粒子在中子星的磁层中运动产生的 (这是一个 Nobel Problem!).

毫秒脉冲星的信号有很强的周期性，可以用来做星际旅行的导航，最近人们还通过这个周期性测量了宇宙中的随机引力波分布.

::: tip

PPT 上这一张脉冲星信号图，并不来自于什么科学杂志，而是来自一个摇滚乐队的专辑封面.

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更大质量的坍缩，我们还没有已知的机制对这种过程进行阻止，因此我们认为它们都会变成黑洞.

中子星形成黑洞的过程会产生 $\text{II}$ 型超新星.

广义相对论：引力是质量产生的时空的弯曲.

黑洞无毛定理：三个参数确定一个黑洞 —— 质量、角动量和电荷.

黑洞可以有温度，那么也就能有黑体辐射 $\longrightarrow$ Hawkin 辐射 (真空涨落的正负粒子对)

如何观测黑洞呢？黑洞的吸积盘.

> 天鹅座 X - 1 是一个 X 射线源，超过 15 个太阳质量，而且没有可见光波段的辐射. 它的 X 光来自于黑洞潮汐力撕裂的物质在其周围产生的吸积盘. 盘中的物质在落入黑洞的过程中，引力势能减小用来加热这个吸积盘，产生极高的温度，因此发射出 X 光辐射.

当然现在我们有更多的观测手段，比如观测双黑洞合并的引力波. 引力波观测的 LIGO 装置是一个 $4\text{ km}$ 臂长的 Michelson 干涉仪，激光反射 1000 次，可以测量原子核的千分之一长度变化. 这个测量非常精确，需要消除大西洋海水拍击大陆产生的振动，甚至半反半透镜中的量子涨落也要消去.

> 类比之下，现在我们可以回答之前的问题：重元素如何产生？就是中子星等天体的剧烈碰撞下，巨大的压强产生的.