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23.E：星之死（练习）

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    如需进一步解释

    文章

    星之死

    希勒布兰特、W. 等。 “如何炸毁一颗星星。” 《科学美国人》（2006 年 10 月）：42。 论超新星机制。

    Irion，R. “追逐最极端的星星。” 天文学（1999年1月）：48。 在脉冲星上。

    Kalirai，J. “太阳命运的新亮点。” 天文学（2014 年 2 月）：44。 像我们的太阳这样的恒星在主序列和白矮星阶段之间会发生什么。

    Kirshner，R. “Supernova 1987A：前十年。” 天空与望远镜（1997 年 2 月）：35。

    毛雷尔，S. “抓住中子星的脉搏。” 天空与望远镜（2001 年 8 月）：32。 回顾脉冲星的最新想法和观察。

    齐默尔曼，R. “走进漩涡。” 天文学（1998 年 11 月）：44。 关于蟹状星云。

    伽玛射线爆发

    Fox、D. & Racusin，J. “最亮的爆发。” 天空与望远镜（2009 年 1 月）：34。 很好地总结了迄今为止观察到的最亮的爆发以及我们从中学到了什么。

    Nadis，S. “宇宙闪光会揭示婴儿宇宙的秘密吗？” 天文学（2008 年 6 月）：34。 关于不同类型的伽玛射线爆发以及我们可以从中学到什么。

    Naeye，R. “剖析末日爆发。” 天空与望远镜（2006 年 8 月）：30。 对伽玛射线爆发的精彩回顾——我们是如何发现它们的，它们可能是什么，以及它们在探索宇宙时可以用来做什么。

    齐默尔曼，R. “速度很重要。” 天文学（2000 年 5 月）：36。 在快速警报网络上寻找余辉。

    齐默尔曼，R. “见证宇宙碰撞。” 天文学（2006 年 7 月）：44。 关于 Swift 任务以及它向天文学家传授的伽玛射线爆发的知识。

    网站

    星之死

    螃蟹星云：http://chandra.harvard.edu/xray_sources/crab/crab.html。 这是一篇关于历史和科学的简短而丰富多彩的介绍，涉及最著名的超新星遗迹。

    中子星简介：https://www.astro.umd.edu/~miller/nstar.html。 马里兰大学的科尔曼·米勒（Coleman Miller）维护着这个网站，当你进入这个网站时，这个网站从容易到难，但它有很多关于巨星尸体的好信息。

    脉冲星简介（玛丽亚姆·霍布斯在澳大利亚国家望远镜设施撰写）：http://www.atnf.csiro.au/outreach/education/everyone/pulsars/index.html。

    磁星、软伽玛中继器和超强磁场：http://solomon.as.utexas.edu/magnetar.html。 罗伯特·邓肯是磁星概念的创始人之一，几年前组装了这个网站。

    伽玛射线爆发

    Gamma-Ray Bursts 简介（来自 PBS 的《黑暗中看见》）：http://www.pbs.org/seeinginthedark/astronomy-topics/gamma-ray-bursts.html。

    发现伽玛射线爆发：http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1997/ast19sep97_2/。

    Gamma-Ray Bursts：神秘概论（在美国宇航局的 Imagine the Universe 网站上）：http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/bursts.html。

    来自 Swift 卫星网站的简介：swift.sonoma.edu/about_swift/grbs.html。

    探测和了解更多有关伽玛射线爆发的任务：

    视频

    星之死

    英国广播公司对安东尼·休维什的采访：http://www.bbc.co.uk/archive/scientists/10608.shtml。(40:54)。

    Black Widow Pulsars：复仇的星之尸体：https://www.youtube.com/watch?v=Fn-3G_N0hy4。 罗杰·罗曼尼博士（斯坦福大学）在硅谷天文学系列讲座中的公开演讲（1:01:47）。

    Hubblecast 64：一切都以一声巨响结束！ : http://www.spacetelescope.org/videos/hubblecast64a/。 HubbleCast 计划与 Joe Liske 博士一起介绍超新星（9:48）。

    太空电影揭示了 Crab Pulsar 的令人震惊的秘密：http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2002/24/video/c/。 哈勃和钱德拉太空望远镜拍摄的螃蟹星云中心区域的一系列图像已被整理成一部非常简短的电影，并附有动画，展示了脉冲星如何影响其环境；它附带了一些有用的背景材料（40:06）。

    伽玛射线爆发

    伽玛射线爆发：自宇宙大爆炸以来最大的爆炸！ : https://www.youtube.com/watch?v=ePo_EdgV764。 Edo Berge 在哈佛大学的一次热门演讲中（58:50）。

    Gamma-Ray B ursts：空中闪光：https://www.youtube.com/watch?v=23EhcAP3O8Q。 斯威夫特卫星上的《美国自然历史博物馆科学简报》（5:59）。

    Gamma-Ray Burst 概述动画：http://news.psu.edu/video/296729/2013/11/27/overview-animation-gamma-ray-burst。 关于导致长时间伽玛射线爆发的原因的简短动画 (0:55)。

    协作小组活动

    1. 您的团队中有人使用大型望远镜观察膨胀的气壳。 讨论您可以进行哪些测量以确定您是否发现了行星星云或超新星爆炸的残余物。
    2. 天狼星（我们北方天空中最亮的恒星）有一个白矮星同伴。 小天狼星的质量约为2\(M_{\text{Sun}}\)，仍在主序列中，而它的同伴已经是星体尸体了。 请记住，白矮星的质量不能大于 1.4\ (M_ {\ text {Sun}} |)。 假设两颗恒星同时形成，你的小组应该讨论小天狼星如何有白矮星同伴。 提示：白矮星的初始质量比小天狼星的质量大还是小？
    3. 与你的团队讨论如果白天突然出现一颗明亮的星星，今天的人会怎么做？ 一颗在我们的天空中非常明亮的超新星会带来什么样的恐惧和迷信？ 让你的团队发明一些头条新闻，让小报和不那么负责任的网络新闻媒体报道这些头条新闻。
    4. 假设一颗超新星在离地球仅 40 光年的地方爆炸。 让你的小组讨论当辐射到达我们时以及稍后当粒子到达我们时会对地球产生什么影响。 有什么办法可以保护人们免受超新星效应吗？
    5. 当脉冲星被发现时，参与发现的天文学家谈到要寻找 “小绿人”。 如果你曾经穿过他们的鞋子，你会进行哪些测试，看看这种脉动的无线电波源是自然的还是外星人情报的结果？ 今天，世界各地的几个团体正在积极寻找可能来自智能文明的无线电信号。 你可能期望这样的信号与脉冲星信号有何不同？
    6. 你的弟弟没有上过天文学课程，他在杂志上读到关于白矮星和中子星的文章，然后决定靠近它们甚至尝试着陆它们会很有趣。 这对未来的旅游业来说是个好主意吗？ 让你的小组列出儿童（或成人）靠近白矮星和中子星不安全的原因。
    7. 天文学家花了很多时间和许多仪器来弄清楚伽玛射线爆发的本质。 你的团队是否和天文学家一样对这些神秘的高能事件感到兴奋？ 天文学以外的人可能关心学习伽玛射线爆发的原因有哪些？

    查看问题

    1. 白矮星和中子星有何不同？ 每种形式如何？ 是什么阻止了每个人在自身的重量下崩溃？
    2. 描述质量与太阳相似的恒星从其演化的主序列阶段到变成白矮星的演变过程。
    3. 描述一颗巨星（比如质量是太阳质量的20倍）演变到它变成超新星的过程。 巨星的演化与太阳的演化有何不同？ 为什么？
    4. 本章讨论的两种类型的超新星有何不同？ 哪种恒星会产生每种类型？
    5. 恒星的生命开始时质量为 5，\(M_{\text{Sun}}\)但其生命以质量为 0.8 的白矮星结束\(M_{\text{Sun}}\)。 列出恒星生命中的各个阶段，在此期间，它很可能失去了最初的部分质量。 每个阶段的质量损失是如何发生的？
    6. 如果中子星的形成导致超新星爆炸，请解释为什么在超新星残余物中发现了数百颗已知脉冲星中的三颗。
    7. 将近 1000 年前，当形成星云的恒星爆炸时，螃蟹星云怎么能用大约 100,000 个太阳的能量发光？ 谁为我们看到的来自星云的大部分辐射 “付账单”？
    8. 新星与 Ia 型超新星有何不同？ 它与 II 型超新星有何不同？
    9. 除了质量之外，带有中子星的二进制系统与带有白矮星的二进制系统有何不同？
    10. 来自SN 1987A的哪些观测结果有助于证实有关超新星的理论？
    11. 描述白矮星随时间推移的演变，特别是亮度、温度和半径如何变化。
    12. 描述脉冲星随时间推移的演变，特别是旋转和脉冲信号如何随时间变化。
    13. 由初始质量为 1 的恒星形成的白矮星与由初始质量\(M_{\text{Sun}}\)为 9 的恒星形成的白矮星有什么不同\(M_{\text{Sun}}\)？
    14. 天文学家认为伽玛射线爆发持续时间较长和伽玛射线爆发持续时间较短的原因是什么？
    15. 天文学家最终是如何解开什么是伽玛射线爆发的奥秘的？ 需要什么工具才能找到解决方案？

    思想问题

    1. 按进化顺序排列以下恒星：
      1. 一颗在核心中没有发生核反应的恒星，它主要由碳和氧组成。
      2. 一颗从中心到表面成分均匀的恒星；它含有氢气，但核心中没有发生核反应。
      3. 一颗正在融合氢气在其核心中形成氦气的恒星。
      4. 一颗恒星，它在核心中将氦气融合成碳，在核心周围的壳中将氢气融合为氦气。
      5. 一颗恒星在核心中没有发生核反应，但正在融合氢气，在核心周围的壳中形成氦气。
    2. 你会指望在猎户座星云中找到任何白矮星吗？ （参见《恒星的诞生》和《太阳系以外的行星的发现》，以提醒自己注意太阳系的特征。） 为什么或者为什么不呢？
    3. 假设从未形成过比大约 2\ (M_ {\ text {Sun}} |) 更大质量的恒星。 我们所知道的生命能够发展吗？ 为什么或者为什么不呢？
    4. 你更有可能在球状星团或开放星团中观察 II 型超新星（巨星的爆炸）吗？ 为什么？
    5. 天文学家相信银河系中有大约1亿颗中子星，但我们在银河系中只发现了大约2000颗脉冲星。 请给出这些数字如此不同的几个理由。 解释每个原因。
    6. 你会期望观察我们自己银河系中的每颗超新星吗？ 为什么或者为什么不呢？
    7. 大麦哲伦云的恒星数量大约是我们自己的银河系中发现的恒星数量的十分之一。 假设两个星系中高质量和低质量恒星的混合完全相同。 超新星在大麦哲伦云中大约多久出现一次？
    8. 看看附录一中最近的恒星清单你会指望其中任何一颗会变成超新星吗？ 为什么或者为什么不呢？
    9. 如果大多数恒星在生命的尽头变成白矮星，并且白矮星的形成伴随着行星星云的产生，那么为什么银河系中的白矮星比行星云还要多？
    10. 如果在二进制系统中一颗三\(M_{\text{Sun}}\)星和八星一起形成，那么哪颗星会：
      1. 先从主序列进化？
      2. 形成富含碳和氧气的白矮星？
      3. 是新星爆炸的地点吗？
    11. 你发现了两个星团。 第一个星团主要包含主序列恒星，以及一些红巨星和几颗白矮星。 第二个星团还主要包含主序列恒星、一些红色巨星和几颗中子星，但没有白矮星。 集群的相对年龄是多少？ 你是如何确定答案的？
    12. 最近发现了超新星残余物，发现其历史约为150年。 提供这次超新星爆炸逃脱发现的可能原因。
    13. 根据恒星的演变，按银河系中最不常见到最常见的顺序排列以下元素：金、碳、霓虹灯。 恒星演化的哪些方面构成了你如何排序元素的基础？
    14. 你会使用哪些观测值或类型的望远镜来区分包含主序列星和白矮星的二进制系统和包含主序列星和中子星的二进制系统？
    15. II 型超新星的光谱与 Ia 型超新星的光谱有何不同？ 提示：考虑作为其来源的对象的特征。

    自己搞清楚

    1. 当来自超新星的高能光子与环\(23.3.4\)中的物质相互作用时，SN 1987A（图见第 23.3 节）周围的环最初被点亮。 环的半径距离超新星位置约为0.75光年。 超新星过了多久，环才被点亮？
    2. 太阳表面的重力加速度 (\(g\)) 是多少？ （有关太阳的主要特征，请参阅附录 E。） 这比地球表面的 g 大多少？ 计算你在太阳表面的重量。 你的重量等于你的地球重量乘以太阳重力加速度与地球重力加速度之比。 （好吧，我们知道太阳没有固体表面可以站立，如果你在太阳的光圈里，你会被蒸发。 为了进行这些计算，请幽默我们。）
    3. 太阳逃逸速度是多少？ 它比逃离地球的速度大多少？
    4. 太阳的平均密度是多少？ 它与地球的平均密度相比如何？
    5. 假设一个特定的白矮星的质量相当于太阳，但半径相当于地球。 白矮星表面的重力加速度是多少？ 这比\(g\)地球表面大多少？ 你会在白矮星的表面上权衡多少（再次给了我们一个你能在那里生存的可疑观念）？
    6. 在上一个练习 (5) 中，白矮星的逃生速度是多少？ 它比逃离地球的速度大多少？
    7. 练习 5 中白矮星的平均密度是多少？ 它与地球的平均密度相比如何？
    8. 现在以一颗质量是太阳两倍但半径为10 km的中子星为例。 中子星表面的重力加速度是多少？ 这比地球表面的 g 大多少？ 你在中子星表面的重量是多少（前提是你无法以某种方式变成原生质水坑）？
    9. 在之前的练习 (8) 中，中子星的逃逸速度是多少？ 它比逃离地球的速度大多少？
    10. 练习 8 中子星的平均密度是多少？ 它与地球的平均密度相比如何？
    11. 计算恒星半径的一种方法是使用其亮度和温度，并假设恒星的辐射大致像黑体。 天文学家测量了行星星云中心恒星的特征，发现一颗典型的中心恒星的亮度是太阳的16倍，热度是太阳的20倍（约11万K）。 用太阳的半径来找出半径。这个半径与典型的白矮星相比如何？
    12. 根据文中描述的模型，中子星的半径约为10 km。 假设脉冲每次旋转发生一次。 根据爱因斯坦的相对理论，没有什么能比光速更快地移动。 检查以确保此脉冲星模型不违反相对论。 计算 Crab Nebula pulsar 在其赤道上的旋转速度，假设其周期为 0.033 秒。（请记住，距离等于速度×时间，圆的周长由给出\(2 \pi R\)）。
    13. 进行与前一个练习相同的计算，但是对于每秒旋转 1000 次的脉冲星。
    14. 如果太阳被表面温度为10,000 K、半径等于地球的白矮星所取代，那么它的亮度与太阳的亮度相比如何？
    15. 超新星可以以 10,000 km/s 的速度喷射物质。超新星残余物膨胀到 1 AU 半径需要多长时间？ 扩展到 1 光年的半径需要多长时间？ 假设膨胀速度保持不变，并使用以下关系：\[\text{expansion time } = \frac{\text{distance}}{\text{expansion velocity}}. \nonumber\]
    16. 2007 年观测到的超新星残余物正以 14,000 km/s 的速度膨胀，半径为 6.5 光年。 假设膨胀速度恒定，这颗超新星是在哪一年发生的？
    17. 从1997年（爆炸10年后）开始，围绕SN 1987A的环开始与超新星冲击波推动的物质相互作用（见第23.3节中的图\(23.3.4\)）。 环的半径距离超新星位置约为0.75光年。 假设以 km/s 为单位的恒定运动速率，超新星物质的移动速度有多快？
    18. 在成为 SN 1987A 的恒星爆炸之前，它从红色的超级巨星演变为蓝色的超级巨星，同时保持相同的亮度。 作为一个红色的超级巨人，它的表面温度大约为 4000 K，而作为蓝色的超级巨人，它的表面温度为 16,000 K。当它从红色超级巨星演变为蓝色超级巨人时，半径变化了多少？
    19. 成为 SN 1987A 的祖星的半径是多少？ 它的亮度是太阳的 10 万倍，表面温度为 16,000 K。
    20. 成为 SN 1987A 的恒星表面的重力加速度是多少？ 这\(g\)与地球表面的相比如何？ 质量是太阳的20倍，半径是太阳的41倍。
    21. SN 1987A 祖星表面的逃逸速度是多少？ 它比逃离地球的速度大多少？ 质量是太阳的20倍，半径是太阳的41倍。
    22. 成为 SN 1987A 的那颗恒星的平均密度是多少？ 它与地球的平均密度相比如何？ 质量是太阳的20倍，半径是太阳的41倍。
    23. 如果 [第 23.3 节\(23.4.3\)中的图] 所示的脉冲星每秒旋转 100 次，那么一分钟内会检测到多少脉冲？ 两根光束位于脉冲星赤道上，该赤道与地球对齐。