清华大学天文专业本科生课程《黑洞与致密天体》（2024秋版）


任课教师:   祝伟 （个人主页：http://i.astro.tsinghua.edu.cn/~wzhu/）
课程助教
胡清茹（电子邮箱：huqr24@mails.tsinghua.edu.cn）
时间地点:   周一晚7：20-9：55，物理楼E225                                                                                  

课程简介：

天文中的致密天体一般指白矮星、中子星和黑洞这三类天体。前两类分别是由电子简并压或中子简并压与引力平衡形成的天体，是不同质量的恒星演化的终极产物。黑洞是广义相对论预言且已由天文观测验证的天体。除大质量恒星演化产生的恒星级黑洞外，宇宙中还存在质量高达百万倍至百亿倍太阳质量的超大质量黑洞（如银河系中心黑洞）以及可能的行星质量或更小的宇宙原初黑洞。

黑洞和致密天体可以产生非常丰富的天文观测现象，而它们本身也是检验和发现新物理的天然实验室。历史上天文领域的诺贝尔物理学奖中有超过一半与黑洞和致密天体的研究直接相关，而随着现代天文学的发展，特别是包括引力波和中微子在内的不同探测技术的进步，我们有理由相信致密天体相关的研究将给我们带来更多的突破性发现。

《黑洞与致密天体》课程将从基本物理原理出发来介绍致密天体的形成和基本性质，以及与之相关的天文观测。作为一门面向全校理工科本科生的课程，本课程仅要求高等数学和大学物理知识，不要求广义相对论或量子力学等先修课程。


教学目标：
  • 能够定性解释致密天体的分类、形成机制和观测认证；
  • 能够简单描 述致密天体在天体物理方面和基础物理方面的主要应用；
  • 学会基于基 础物理知识进行数量级估计的基本方法。  
课 程形式和考核方式：

本课程为 3 学分本科生课程，以教师课堂讲授为主，并将设置若干次学生讨论课，以开发学生思维并锻炼解决问题的能力。除课堂参与外，本课程的成绩评定还包括阅读作业、书面作业（含简单的编程问题）、课堂展示和期末论文等。内容丰富，形式多样，但总体而言课程负担不算重。相信只要按照要求认真完成学习任务的学生都可以有不错的收获。

教学参考书和课外读物：
  • Longair, High Energy Astrophysics, 在线全文
  • Shapiro & Teukolsky, Black Holes, White Dwarfs, and Neutron Stars, Wiley Online Library官方pdf
  • Camenzind, Compact Objects in Astrophysics, Springer 官方pdf
  • 基普·索恩，《黑洞与时间弯曲》，硬核科普读物，强烈推荐（！），各大网购平台均有卖
教学安排：(png 图片)
日期 教 学内容
09/09 黑洞与致密天体简介
◾致密天体研究简史；◾致 密天体的“形成”； ◾黑洞的密度和天体物理分类。

其他参考资料：物理天文常数
09/21（调课） 恒星结构和演化
◾星等和赫罗图；◾恒星的结构方 程；◾Lane-Emden方程和爱丁顿标准模型；◾恒星核反应： 发生条件和主要过程；◾恒星的主序后演化简介；◾重元素核合成。
其他参考资料：
- 星等简介，爱丁顿标准模型
- Spectral Classification of Stars
- Stars & Planets by Chris Ormel
09/23
（内容回顾：恒星）		 白矮星理论和观测
◾（电子）简并的发生条件；◾简并电子气体状态方程；◾白矮星质量-半径关系和钱德拉塞卡极限质 量；◾ 白矮星的内部结构；◾白矮星的演化；◾观 测认证；◾光谱特征和分类。
课后读物：钱德拉塞卡生平和科学评价，The Chandrasekhar-Eddington dispute

其他参考文献：
- Saumon et al., 2022, Physics Reports, Current challenges in the physics of white dwarf stars.
09/30
（内 容回顾：白矮星）		 双星系统演化
◾拉格朗日点和洛希瓣；◾光变现象：椭球变星、集束效应、食变星；◾质量转移的稳定性；◾公共包 层；◾激变变星；◾经典新星和矮新星；◾Ia型超新星。
其 他参考文献：
- Han et al., 2020, RAA, Binary Population Synthesis
- Smith, 2007, arXiv:0701654, Cataclysmic Variables
- Knigge, Baraffe, & Patterson, 2011, ApJSS, The evolution of cataclysmic variables as revealed by their donor stars
10/14
（内容回顾：双星）
 		（广义）相对论的可观测效应
◾狭义相对论效应；◾广义相对论的经典类比；◾引力时间延缓和引力红移；◾光线偏折和引力透 镜；◾轨道进动；◾夏皮罗时延；◾引力波辐射和轨道衰减。

其他参考文献：
- The Schwarzschild Metric and Applications by J. Weingartner
- Kennefick, 2009, Physics Today, Testing relativity from the 1919 eclipse---a question of bias
- Note on light deflection by Massimo
- A brief history of gravitational lensing; Mandl, Einstein, and the early history of gravitational lensing
- Ashby, 2003, Living Reviews in Relativity, Relativity in the Global Positioning System
- Uggerhoj et al., 2016, European Journal of Physics, The young centre of the Earth
10/21
（内 容回顾：相对论效应）		 超新星和中子星
◾概念的提出；◾核塌缩型超新星的爆发机制；◾1987A超新星和中微子探 测；◾TOV方程和质量极限；◾中子星的质量分布。

其他参考文献：
- Srinivasan, 2014, Life and Death of the Stars, Chapter 10. Supernovae, Neutron Stars, and Black Holes; Chapter 15. Exploding Stars
- Özel & Freire, 2016, ARA&A, Masses, Radii, and the Equation of State of Neutron Stars
- Burrow & Lattimer, 1987, Neutrinos from SN 1987A
10/28
（内 容回顾：中子星）		 脉冲星
◾脉冲星的发现和本质；◾（自转功能）脉冲星；◾毫秒脉冲星；◾天体物理应用。

其他参考资料：
- The Origins of Radio Astronomy
- Condon & Ransom, Essential Radio Astronomy, Chapter 6: Pulsars
- ATNF Pulsar Catalogue
11/04
（内 容回顾：脉冲星）		 瞬变源：伽马射线暴（GRB）和快速射电暴（FRB）
◾GRB的发现和观测性质；◾能量和致 密性问题；◾长暴和短暴的对应体；◾FRB的发现、观测和理论进展。
其他参考资料：
- 冯思亮等，2021，天文学报，伽马天文观测技术综述
- Nakar, 2007, Physics Reports, Short-hard Gamma Ray Burst
- Woosley & Bloom, 2006, ARA&A, The Supernova Gamma-Ray Burst Connection
- Kumar & Zhang, 2015, Physics Reports, The physics of gamma-ray bursts & relativistic jets
- Petroff, Hessels, & Lorimer, 2022, A&A Review, Fast radio bursts at the dawn of the 2020s
11/11
（内容回顾：瞬变源）		 黑洞物理简介
◾黑洞的经典描述；◾克尔度规和黑洞自旋；◾黑洞附近粒子的运动；◾ 黑洞热力学和霍金辐射；◾原初黑洞的形成和观测限制。

课后读物：The Reluctant Father of Black Holes

其 他参考资料：
- LoPresto, 2003, Some Simple Black Hole Thermodynamics
- Villanueva-Domingo et al., 2021, A Brief Review on Primordial Black Holes as Dark Matter
- 宇宙杂谈：“黑洞信息悖论”答案揭晓？
11/18 恒星级黑洞
◾X射线源和黑洞的观测认证；◾天体物理吸积和爱丁顿光度；◾黑洞吸积盘；◾其他恒星级黑洞。

其 他参考资料：
- Remillard & McClintock, 2006, ARA&A, X-Ray Properties of Black-Hole Binaries
- Ogilvie, Lectures on Accretion Discs
- Reynolds, 2021, ARA&A, Observational Constraints on Black Hole Spin
11/25 类星体和活动星系核（AGN）
◾观测特征和物理限制；◾类星体的红移本质；◾AGN的主要特征和统一模型；◾超大质量黑洞吸积模 型；◾反射能谱；◾SMBH质量测量。

其 他参考资料：
- Collin, 2006, AIP Conference Proceedings, Quasars and Galactic Nuclei, a Half-Century Agitated Story
- Fabian et al., 2000, PASP, Broad Iron Lines in Active Galactic Nuclei
- Peterson, 2014, Space Science Reviews, Measuring the Masses of Supermassive Black Holes
12/02 临近宇宙的超大质量黑洞
◾超大质量黑洞分布的统计估计；◾黑洞搜寻基础：“势力范围”和所需空间分辨率；◾银河系中心的超 大质 量黑洞；◾临近星系的超大质量黑洞；◾黑洞直接成像；◾形成和演化简介。
其 他参考资料：
- Genzel, 2021, Nobel Lecture, A Forty Year Journey
- Luminet, 2019, An Illustrated History of Black Hole Imaging: Personal Recollections
- Kormendy & Ho, 2013, ARA&A,  Coevolution (Or Not) of Supermassive Black Holes and Host Galaxies
12/09 引力波天文学简介
◾引力波的电磁波类比；◾功率和振幅（空间应变）；◾典型的引力波源；◾引力波探测技术简介；◾双 黑洞 并合的波形分析。
其 他参考资料：
- Cervantes-Cota, et al., 2016, Universe, A brief history of gravitational waves
- Nobel Prize in Physics 2017, Scientific Background
12/16 前沿讲座，期末课堂展示
12/23 期末课堂展示

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