科普天文学完整版两篇

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

≈11.6km/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。vescvesc如果你将地球压缩到更小的半径=>从其表面离开的需要更高的逃逸速度。G=6.67x10-11（Nm2/kg2）V=（2GM/R）0.5史瓦西（Schwarzschild）半径=>有一个限制逃逸速度达到光速，c的半径:Vesc=cRs=

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10~100Msun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):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Allwavelengthsofemissionsfromneartheeventhorizonarestretched(redshifted).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、γ

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。

S1·S·B·ES2·

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：

射电喷流黑洞周围的吸积盘X射线爆发4U1820-30在星团NGC6624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SS433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）,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（schwarzschildradius）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，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。GRBofMay10,1999:1dayaftertheGRB2daysaftertheGRB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(>25Msun)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，小黑洞会发射光和粒子而逐渐消亡，因此探测它们的存在及其发射，不仅能证实黑洞的存在与否，而且也能检验新发展的黑洞量子力学的正确与否。各国天文学家在20世纪70年代末就开始了对小黑洞的搜寻工作。根据理论预言，质量小于1015克的小黑洞到今天都已经消失了，质量在1015～1016克的小黑洞正在走向死亡。这种死亡过程是很迅速的，最后将以猛烈爆炸告终，爆炸放出的能量非常巨大，并以高能γ射线的形式放出。高速运行的黑洞第四章

恒星

恒星的位置看来固定不变，因而古人称之为“恒”星，即固定不动的星。一般来说，恒星都是气体球，没有固态表面，通过自身引力聚集而成。它区别于行星的一个重要性质是它自己能够强烈发光。太阳是一颗恒星。恒星是指由内部能源产生辐射而发光的大质量球状天体。参数变化范围质量M10-1M⊙≤M≤102M⊙

半径R10-3R⊙≤R≤103R⊙

表面温度T103K≤T≤105K光度L10-4L⊙≤L≤106L⊙

M⊙是太阳的质量，R⊙是太阳的半径，L⊙为太阳的光度。对恒星的研究表明：恒星主要是由氢组成的气体球。氢聚变成氦而放出能量，然后氦又可聚变成更重的元素放出能量，因此恒星的化学组成同她得年龄有关。恒星的信息源

恒星具有极高的温度，有大量的激烈运动着的电离的电子，发出强大的电磁波辐射（电磁波是原子中的电荷作变速运动时产生的）。波长范围从最长的无线电波到最短的γ射线。电磁波：可见光其他信息源：宇宙线、中微子、引力波、射电波、X射线、γ射线、红外线来自恒星以及其他天体的辐射穿过地球大气层是，很多波段都被大气分子吸收掉了。屏蔽紫外线的主要是大气中得臭氧层和氧原子、氧分子、氮分子；屏蔽一部分红外线的主要是大气中得水分子和二氧化碳分子。有两处透明窗口：光学窗口和无线电窗口，为人类天文学的发展提供了必要地信息通道。

光学窗口：0.35~22微米可见光和一部分红外线（17~22微米半透）。

无线电窗口：1毫米~30米的无线电波段。不同波长的电磁波，其光子多具有的能量是不同的。光子的能量E与波长的关系λ的关系为式中c是传播速度，焦耳

秒称为普朗克常数。波长愈短，能量愈高。电磁波在本质上是相同的，仅在波长频率和光子能量方面有所差别。（c是传播速度）波长不同的电磁波在真空中得传播速度都一样。波长λ和频率ν之间满足公式波长愈短，频率愈高。不同波长的电磁波也可以用频率来表示，换算公式频率波长赫兹微米波长和光子能量之间有固定的关系，电磁波谱有事也用光子能量来描述。光子能量的单位常用电子伏特（eV）来表示。电子伏特是一个电子通过1伏特电位差时获得的能量，1电子伏=1.6022x10-19焦耳。电子伏在无线电波段常用频率；在光学波段常用波长；在X射线和γ射线波段用光子能量来描述.4.1恒星参数的测定

4.1.1.恒星的距离

恒星离我们非常遥远，除太阳外，离我们最近的恒星是半人马座比邻星，距离约为4×1013千米，4.22光年。天文学上常用的距离单位：①天文单位，即日地平均距离，为1AU=149597870千米=1.49597870×1011米②光年，光在一年中走过的距离，1l.y.=0.946053×1016米③秒差距，周年视差为1″对应的距离，1pc=3.08568×1016米1光年=0.307秒差距1秒差距=206265AU周年视差π=1''的恒星与地球的距离r为206265AU，这个距离定义为1秒差距（1pc）。秒差距（Parsec,缩写pc）测定恒星距离最基本的方法是三角视差法，此法主要用于测量较近的恒星距离。然而对大多数恒星说来，这个张角太小，无法测准。所以测定恒星距离常使用一些间接的方法，如分光视差法、星团视差法、统计视差法以及由造父变星的周光关系确定视差，等等。这些间接的方法都是以三角视差法为基础的。恒星距离的测定恒星的距离是借助于测定周年视差而获得的

r=a/π太阳到恒星的距离为r,单位为光年或秒差距日地平均距离为a，单位为天文单位恒星的周年视差为π，单位为弧秒三角视差法测距离三个著名恒星距离名称视差距离比邻星0.76

″4.3光年织女星

0.12″27光年天狼星0.37″8.8光年光速：c=3.0x108m/s最快飞机速速：v=1.0x108m/h=3.0x104m/s

光度为恒星的能量发射率，即整个星面每秒释放的能量，用L表示。他在国际单位的典型表示法式是瓦特(Watt)，在c.g.s.制是尔格/秒，或是以太阳光度来表示，也就是以太阳辐射的能量为一个单位来表示。太阳的光度是3.827×1026瓦特。

一颗恒星的光度决定于恒星的表面温度和表面积——较大的恒星比同温度的较小恒星辐射更多的能量，所以，表面温度相同(因而颜色相同)的两颗恒星可能有极不相同的光度，而光度相同的两颗恒星可能有完全不同的表面温度(和颜色)。

光度是与距离无关的真实常数，亮度则明显的与距离有关，而且是与距离的平方成反比，亮度通常会以视星等来量度，那是一种对数的关系。4.1.2恒星的光度、照度和和星等光度（luminosity）

恒星看起来的明暗程度称为视亮度，简称亮度，就是指照度，用E表示。

照度是每单位面积所接收到的光通量。SI制单位是勒克斯(lx=lux)，1(勒克斯)=1(流明/平方米)。对于接受天体辐射的人眼或仪器来说，单位时间入射到其单位面积的能量。表示某处感应器感应到的恒星的能量。照度（Illuminance）

在天文学上，星的亮度用星等表示。古人按照星的明暗程度把星星分为6个亮度等级，天球上约20颗最亮的星称为一等星，肉眼刚刚能看到的星称为六等星。通常以拉丁字母m表示星等。这个星等系统原则上保留到现在，并给予标准化后推广到特别亮的天体以及肉眼看不见但用望远镜能看见的暗星上去。

星等是衡量天体光度的量。在不明确说明的情况下，星等一般指目视星等。为了比较天体的发光强度，采用绝对星等。绝对星等M的定义是，把天体假想置于距离10秒差距处所得到的视星等。若已知天体的视差π（以角秒计）和经星际消光改正的视星等m，可按下列公式计算绝对星等：M=m+5+5lgπ。对应不同系统的视星等有不同的绝对星等。天体光度测量直接得到的星等同天体的距离有关，称为视星等，它反映天体的视亮度。一颗很亮的星可以由于距离远而显得很暗（星等数值大）；而一颗实际上很暗的星可能由于距离近而显得很亮（星等数值小）。对于点光源,则代表天体在地球上的照度。星等常用m表示。对应不同探测器有各种星等系统。星等（magnitude）星等系统：目视星等、照相星等、光电星等视星等绝对星等4.1.3恒星的大小、质量和密度

恒星的真直径可以根据恒星的视直径（角直径）和距离计算出来。常用的干涉仪或月掩星方法可以测出小到0.01的恒星的角直径，更小的恒星不容易测准，加上测量距离的误差，所以恒星的真直径可靠的不多。根据食双星兼分光双星的轨道资料，也可得出某些恒星直径。对有些恒星，也可根据绝对星等和有效温度来推算其真直径。星名视差(弧秒)角直径（弧秒）线直径（太阳直径为1）猎户座α0.005″0.047″1000鲸鱼座α0.023″0.056″480金牛座α0.048″0.021″94御夫座α0.073″0.004″13天狼A0.375″0.006″1.85太阳1.00天狼B0.375″0.000077″0.044范玛伦星0.235″0.000019″0.009观测结果：恒星的直径相差很大，大的有太阳直径的几百倍甚至一两千倍，小的只有不到太阳直径的十分之一。

恒星的质量是很重要的一个参量，但是除太阳外，目前只能对某些双星进行直接测定，其他恒星的质量都是间接得到的，如通过质光关系来测定的。4.1.4恒星的质量 1、测定双星质量的基本原理是依据开普勒第三定律——双星系统的总质量与轨道半长径的立方成正比，与轨道周期的平方成反比结合天体测量法测出两子星相对质心的距离

和,则可知两子星的质量比从而可求出每个子星的质量２、质光关系：

对于质量大于0.2M⊙的主序星，恒星的质量和光度之间有很好的统计关系，称之为“质光关系”。恒星的质量越大，其对应的光度越强。一般符合如下关系

1924年爱丁顿从理论上导出绝对光度为L的恒星与其质量M有L=kM3.5的简单关系,其中k为常数。 lg(L/L⊙)=3.8lg(M/M⊙)+0.084.2恒星光谱及其相关性质

太阳的光谱是红、橙、黄、绿、青、靛、紫七色，原因是什么呢？

4.2.1光谱概念的物理基础

量子力学创立于20世纪初，是研究电子、质子、中子以及原子和分子内其他亚原子粒子运动的一门科学。相对于量子力学，牛顿力学称为经典力学。利用牛顿力学，人们认识了太阳系。同样，人们想象一个原子就是一个小太阳系：核在中心，电子在固定的轨道绕核“公转”。但按照量子力学的说法，原子中没有电子运动的轨道，只能说电子可能出现在什么地方。天文学包括天体力学、天体物理学等数十个分支和量子力学的建立，使人们能正确地认识微观世界，爱因斯坦狭义相对论和广义相对论的建立改变了人们对时间和空间本质的认识，同时也给了天文学家更深入认识恒星和天体的一个理论工具。4.2.2恒星光谱与氢原子谱线光谱有连续光谱，线光谱和带光谱。太阳光谱其实并不是一条连续的光带，而是带有许多暗线条

氢原子光谱（巴尔默系，背景彩色是为了表示三条光谱线的位置而加进去的）。

4.2.3

光谱在恒星研究中的应用 1、确定恒星的化学组成 2、确定恒星的温度 3、确定恒星的视向速度和自转光谱型颜色表面温度（开）典型星O蓝40000~25000参宿一B蓝白25000~12000参宿五A白11500~7700织女星F黄白7600~6100小犬座αG黄6000~5000太阳K橙4900~3700牧夫座αM红3600~2600心宿二恒星光谱的分类

4.2.4恒星的光谱、颜色和表面温度之间的关系Oh!BeAFairGirlKissMe.4.2.5恒星的赫罗图丹麦科学家赫茨普龙(E.Hertzsprung)于1911年，天文学家罗素（H.N.Russell）于1913年，分别的绘制了恒星的光谱—光度图。Innerradiative,outerconvectivezoneInnerconvective,outerradiativezoneCNOcycledominantPPchaindominant4.3变星和新星变星：亮度在较短时期内有显著变化的星为变星。新星:有少数星的亮度可在几天内猛增几万倍，较原有星等减少10-14等，把这些突然爆发的星称为新星。超新星:超新星的爆发规模比新星还要大，它发亮时亮度的增幅为新星的数百至数千倍，抛出的气壳速度可超过104km/s。是所有变星中最壮观的一类，是恒星的灾变性爆发。辐射能估计为1042~1043J,抛出的物质质量达1~10m⊙,动能达1043~1044J。4.3.1造父变星造父变星又称长周期造父变星或经典造父变星，是脉动变星的一种，这类变星的亮度变化是周期性的，一般周期在1.5～80天之间。周光关系：周期和绝对星等之间的关系。造父变星的平均绝对星等M与其周期的对数lgP近似成直线关系周光关系新星4.3.2新星和超新星

亮度会在很短的时间内迅速增加，达到极大后慢慢减弱，几年或几十年后恢复到原来的亮度，这种星叫新星。

有些恒星爆发时规模比新星更巨大，

光度增加1亿倍，这种星称为超新星。超新星蟹状星云（M1，或NGC1952）位于金牛座ζ星东北面，距地球约6500光年。它是个超新星残骸，源于一次超新星（天关客星，SN1054）爆炸。气体总质量约为太阳的十分之一，直径六光年，现正以每秒一千公里速度膨涨。星云中心有一颗直径约十公里的脉冲星。这超新星爆发后剩下的中子星是在1969年被发现。其自转周期为33毫秒（即每秒自转30次）。中国的史料中有很多关于1054年超新星剧烈爆发的珍贵记录资料。4.4不同的恒星系统双星，为包含两颗恒星的系统，在相互引力的影响下，两颗恒星绕着它们共同的引力中心描绘出闭合的轨道。较亮的子星为主星，较暗的子星为伴星。双星的两个成员都称为双星的子星，较亮的子星称为主星，较暗的称为伴星。（一）目视双星

在望远镜里能直接用眼睛看出是两颗星的双星双星（二）分光双星

用光谱分析的方法发现的双星双星（三）