天文学概论：第九章 黑洞

1、第九章 黑洞,9.1 黑洞的数学模型 9.2 黑洞的物理机制 9.3 黑洞的奇妙性质 9.4 黑洞的天文探测 9.5 巨型黑洞、微型黑洞和中等质量黑洞 9.6 白洞和虫洞,9.1 黑洞的数学模型,“天空中存在着黑暗的天体，像恒星那样大，或许像恒星那样多。一个具有与地球同样的密度而直径为太阳250倍的明亮星球，他发射的光将被它自身的引力拉住而不能被我们接收。”。 1797年拉普拉斯宇宙体系论,逃逸速度,逃离地球表面的重力需要的速度: vesc 11.6 km/s.,vesc,现在,随着距离的重力减少( 1 / d2) = 表面上方较高的地方 = 较低的逃逸速度。,vesc,vesc,如果你将地球

2、压缩到更小的半径=从其表面离开的需要更高的逃逸速度。,史瓦西（Schwarzschild）半径,=有一个限制逃逸速度达到光速，c 的半径:,Vesc = c,Rs =,2GM,_,c2,史瓦西的解指出，如果致密天体的全部质量压缩到某一半径Rs的范围内，它周围的空间就因引力而足够弯曲到任何物质和辐射都逃不出来，这一天气就称为黑洞。Rs被成为史瓦西半径。,G = 万有引力常数,M = 质量,史瓦西半径,9.2 黑洞的物理机制,质量为10100Msun的恒星，在热核反应停止并经理超新星爆发后，有两种可能形成黑洞的情况： 当简并核心的质量大于奥本海默极限时，塌缩将直接导致黑洞形成。 核心质量小于奥本海

3、默极限而形成中子星，外围仍有被抛射后残余物质又继续落向中子星，积累到质量超过奥本海默极限，再度塌缩为黑洞。,9.3 黑洞的奇妙性质史,彭罗斯定义的黑洞视界：所有试图逃逸出去的光子统统都被引力拉回的最后边界。,我们没有办法知道在史瓦西半径内发生了什么。,=没有物质(甚至光)可以从史瓦西半径内逃脱。,“视界”,9.3.1 视界,霍金定义的黑洞视界：空间中是否有能力向遥远宇宙发送事件信号的最后的边界。,9.3.2引潮力,一个宇航员下降到黑洞的视界时竖直方向会被拉伸（潮汐效应），横向则被挤压。,9.3.3 时空特性,时间膨胀,视界,开始所地方的时钟均为12:00。 3小时候 (对一个远离黑洞的观察者)

4、:,越靠近黑洞时钟转得越慢。,在视界处时间膨胀变得无限。,9.3.4 引力红移,引力红移,视界,All wavelengths of emissions from near the event horizon are stretched (red shifted). 所有波长的辐射在视界被拉长(红移)。 频率降低,9.3.5“黑洞无毛”,黑洞可以分为四大类： 史瓦西黑洞：无电荷、无转动的球状黑洞； 雷斯勒-诺斯特诺姆黑洞：有电荷、无转动的球对称黑洞； 克尔黑洞：无电荷但有转动的黑洞； 克尔-纽曼黑洞：带电荷又有转动的旋转黑洞。,黑洞可以用质量、电荷和角动量三个量完全确定黑洞无毛发定理。,9.4

5、 黑洞的天文探测,探测不可见的黑洞有两条路： 追踪黑洞周围强大的引力场会引起何种效应； 捕捉黑洞吞噬视界以外物质留下什么痕迹。,没有光可以从黑洞逃离。 = 黑洞也不能被直接观测到。,根据引力效应发现看不见的天体； 探测发出X射线双星系统。,黑洞是引力辐射源、X射线源、 射线源。单线双星光谱未出现的那个子星可能是黑洞。引力透镜法是用来确定黑洞的一种方法。 S 1 S B E S 2 引力透镜示意图,黑洞新类型,= 强X射电源!,加热到几百万K。,探测发出X射线双星系统,黑洞X射线系统,强 X射线源,迅速,不规律的变化（闪烁的时间尺度不到一秒）,常常伴随： 准周期振荡,有时伴有： 射电喷流,黑洞周

6、围的吸积盘,X射线爆发4U 1820-30,在星团 NGC 6624,光学,紫外,X射线爆发源,几个X射线爆发源被发现:,迅速爆发,随后逐渐减弱,重复爆发：间隔的时间越长，爆发越强。,射电喷流信号,银河系黑洞候选GRS1915+105 的射电喷流,X射线双星的模型SS 433,光学谱线显示喷流物质中的谱线。,两组谱线:一个蓝移,一个红光偏移,光线在相互穿越的过程中受到喷流旋进的影响前后移动。,天鹅座X-1的特征,根据观测资料，天鹅座X-1成了黑洞最有希望的候选者，它的质量约为8个太阳质量。,9.5 巨型黑洞、微型黑洞和中等质量黑洞,如果一个无形不可见致密天体是双星系统的一部分,我们可以通过轨道

7、周期和径向速度估计它的质量。,黑洞的数学模型并没用限制黑洞的质量和尺寸大小。甚至黑洞不一定是极高密度的天体。黑洞最主要的特征是极高的致密度而不是密度。,巨型黑洞,美国天文学家通过对钱德拉X射线观测望远镜研究发现，宇宙黑洞在宇宙初期即在宇宙大爆炸后不久，就聚成了一个大的难以置信的黑洞“SDSSpJ306”，这个黑洞增长速度极快，足足可以吞噬整个太阳系，吞进的星体质量相当于3亿9500万个太阳，引起气体喷发时期为止科学家在宇宙中发现最大的。,星系核心,微型黑洞,史蒂文霍金黑洞论中的一个假设，说宇宙一开始就有很多微型黑洞，大小是一粒米的大小，而质量是地球的几百倍，一般相当于木星的质量（地球的318倍

8、）,如此高质量聚合在这么小的空间，可以不释放任何被它吸收的物质，所以就说是黑洞。,弦理论引进了微型黑洞的概念，黑洞是大量的物质被压缩到其史瓦西半径（schwarzschild radius）以内的时候形成的。由于物质和能量可以互相转换，因此黑洞也可以通过压缩能力制造出来。 大型强子对投机(LHC）是不是能在14万亿电子伏特的能量下将两个质子相撞，从此产生的碎片中造出微量黑洞，对此人们颇为期待。这些黑洞非常之小，可能只有一个电子质量的1000倍那么重，而且可能只持续10负23次秒。,中等质量黑洞,小圆圈处为新发现的中等质量黑洞HLX-1，“潜伏”在一个星团内。,天文学家一直认为只存在两种黑洞，即

9、质量只有太阳几倍的小型恒星级黑洞和质量相当于数百万个太阳的超大质量黑洞，后者“潜伏”在绝大多数星系中央，包括我们的银河系。它们就像是宇宙中的可怕恶魔，撕裂和吞噬恒星，甚至能够吞噬整个太阳系。新发现的HLX-1质量介乎恒星级黑洞和超大质量黑洞之间，大约相当于9万个太阳。,中等质量黑洞（2）,中等质量黑洞可能在球状星团中央形成。星团内，数十万颗恒星因引力聚集在一起。韦伯表示中等质量黑洞可能是早期宇宙的遗迹，由最为古老的恒星形成。他说：“早期宇宙可能存在大质量恒星，质量相当于1万个太阳。这些恒星寿命很短，塌陷爆炸后形成中等质量黑洞。”研究发现将刊登在科学杂志上。 对中等质量黑洞进行研究同样有助于天文

10、学家了解超大质量黑洞如何形成。韦伯表示这种黑洞可能是超大质量黑洞的“祖先”。超大质量黑洞在吞噬足够物质之后升级为质量至少相当于100万个太阳的超大质量黑洞。此外，它们也可能通过合并的方式形成超大质量黑洞。,有人估计，在过去100亿年中银河系中平均每100年有一颗超新星爆发，而每100颗超新星中一颗会导致黑洞形成，如果这个估计是正确的，则银河系里应该有数百万个由恒星坍缩而成的黑洞，而我们根据X射线双星系统来确定的黑洞或黑洞候选者仅仅数十个，问题出在哪里呢？,黑洞研究的最新成果,9.6 白洞和虫洞,按照宇宙通常存在的对称性，应该有与黑洞相对应的天体存在，也就是恒星坍缩的逆过程，这就是宇宙物质的“火

11、山口”，大量物质和能量从那里涌出来，这样的天体称为白洞。 黑洞和白洞的通道为虫眼。 物质一旦在虫眼的另一端出现，它就再次突然膨胀成了普通的物质。膨胀时，它发出炽烈的辐射能，而这种能量原先是陷在黑洞里的。也就是说，我们眼前出现了一个白洞。 有些学者认为类星体是虫眼某一端出现的一种巨大的白洞，其物质来自宇宙另一部分的一个巨大的黑洞。,白洞的性质,同黑洞一样，白洞也有一个封闭的边界。与黑洞不同的是，白洞内部的物质（包括辐射）可以经过边界发射到外面去，而边界外的物质却不能落到白洞里面来。因此，白洞像一个超级喷泉，不断向外喷射以重粒子为主要形态表现的物质，（能量）。白洞学说在天文学上主要用来解释一些高能

12、现象。白洞是否存在，尚无观测证据。,虫洞,虫洞（Wormhole），又称爱因斯坦罗森桥，是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。虫洞是1930年代由爱因斯坦及纳森罗森在研究引力场方程时假设的，认为透过虫洞可以做瞬时间的空间转移或者做时间旅行。 简单地说，“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。暗物质维持着虫洞出口的敞开。虫洞可以把平行宇宙和婴儿宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性。虫洞也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道，所以也叫灰道。,Gamma射线暴(GRBs),短暂（几秒）明亮的gamma射线爆发,后发现与x射线和光学波段的发光持续几个小时，几天。,GRB of May 10, 1999: 1 day after the GRB,2 days after the GRB,许多现在已经在其宿主星系(宇宙)很远的距离上。,可能与非常巨大的恒星( 25 Msun)的死亡有关。,黑洞对中子星双星系统,黑洞:视界之外的吸积物质消失无影无踪。,中子星:吸积物质作用于中子星表面时产生x射线闪光。,根据量子力学理论，小黑洞会发射