天体物理学 10黑洞学习资料

第九章黑洞

§9.1相对论简介§9.2Schwarzschild黑洞§9.3其他类型的黑洞，黑洞转动能的提取§9.4黑洞的量子效应§9.5黑洞的观察证认§9.1相对论简介

1915年，Einstein发表广义相对论(generalrelativity)物质

引力源

时空弯曲(curvedspace)引力场强弱

时空弯曲程度例如：地球绕太阳运转可以认为是它沿着太阳周围四维时空中的测地线运动。黑洞周围的时空弯曲程度最大天体太阳白矮星中子星黑洞Rs/R10-5.410-410-11引力半径（gravitationalradius）在引力半径Rg内的光子无法逃逸。对Schwarzschild黑洞（不转黑洞），Rg=Rs（Schwarzschild半径）=3km(M/M⊙)天体的致密程度可以用Rs/R表示。

在越致密的天体附近，光线弯曲的程度越大。2.Schwarzschild黑洞的基本性质时间延迟 在黑洞附近的时钟比远处的时钟走得慢。 在视界处的时钟看上去完全停止。FromJack'spointofview:

Seestheshipgettingfurtheraway.Flashesthelasereverysecondbyhiswatch.Seesabluebeamleavethelaser.FromJill'spointofview:

Eachflashtakeslongertoarrive,andisredderandfainterthantheonebeforeit.JackSees:LaserflashesblueeverysecondbyhiswatchTheoutsideworldlooksdistortedJillSees:Laserflashescome~1hourapartFlashesareshiftedtoradiowavelengthsandaregettingfainterwitheachflash.Jill:Seesonelastlaserflashafteralongdelay;flashisfaintandatlongradiowavelengthsNeverseesthenextflash…Jack:UniversevanishesashecrossesthehorizonGetsshreddedbystrongtidesnearthesingularityandcrushedtoinfinitedensity.NeartheEventHorizon...Downthehole...3.

Kerr时空

4.黑洞的量子效应真空

正负(虚)粒子对负粒子被吸收→黑洞质量减小正粒子逃逸→带走能量黑洞能损率→黑洞寿命当M=1M⊙,t＝1067yr；当M=1015g,t＝1010yr（小黑洞已经蒸发）黑洞的蒸发的总结5.黑洞的观测证据恒星级黑洞途径：搜寻质量超过中子星质量上限（~2-3M⊙）的致密星。确定致密天体性质：X射线辐射、时变确定致密天体质量：双星轨道运动

X射线双星黑洞候选天体CygnusX-1强X射线源X射线辐射光变时标~1ms →辐射天体尺度<108

cm →中子星或黑洞光学伴星HDE226868

O9.7Iab型超巨星光学观测 →轨道周期5.6天，光谱Doppler位移 →视向速度曲线 →质量函数MOpt

>

9M⊙→MBH

>2.9M⊙光谱拟合 →MOpt

=17.8M⊙,MBH=10.1M⊙ →CygnusX-1必定是黑洞！=0.25M⊙星系级黑洞 M~106-109

M⊙

通常位于星系核心Intermediate-MassBlackHoles?ChandraX-rayObservatoryhasfoundnewpopulationsofsuspectedm