Black Hole(黑洞的科普,选修课)
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黑洞 ppt课件
黑洞、白洞、虫洞与时空旅行
爱因斯坦－罗森桥
虫洞与黑洞、白洞的接 口是一个时空管道和两 个时空闭合区的连接， 虫洞的时空曲率并不是 无限大，因而我们可以 安全地通过虫洞，而不 被巨大的引力摧毁。
黑洞、白洞、虫洞与时空旅行
超时空旅行
科学家设想，应用虫洞或爱因斯坦－罗森桥，可能克服遥远的可见 和漫长的时间障碍，实现“超时空旅行”。
拉普拉斯和米切尔还猜想到这类巨大的 暗天体可能像恒星一样众多
史瓦西预言的黑洞
(1). 爱因斯坦广义相对论关于“质量引起时空弯曲”
史瓦西预言的黑洞
(2). 史瓦西预言的黑洞
德国天文学家卡尔·史瓦西（1873—1916年）通过 计算爱因斯坦方程后预言：
如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇 异现象，即在质点的周围存在一个界面──“视界”， 一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。
惠勒将黑洞的这种特征称为“黑洞无毛”（也可以 说只有M,Q,J三根毛），后来被人们称为“黑洞无毛定 理”。
黑洞的观测与发现
核
观测黑洞的方法
心
喷
2.探测方法与手段: 间接推测
流
现 象
引力透镜现象
异常X射线源及γ射线源
M87及其喷流的X射线照片
黑洞的观测与发现
（1）天鹅座X-1号的双星系统 黑洞候选者
米切尔预言的黑洞
1783年，他在英国皇家学会会议上发布：
一个密度与太阳相同，而半径为太阳500倍的星 球，会使朝它下落的物体，在到达星球表面时的速度 超过光速。所以，假定光也像其他物体一样被与惯性 力成正比的力所吸引，那么，所有从这个星球发射的 光将被星球自身的引力拉回来。
依据：围绕星体运动物体的向心力和引 力公式推算
黑洞介绍英语作文带翻译
黑洞介绍英语作文带翻译Title: Exploring the Enigma of Black Holes。
Black holes are among the most intriguing and enigmatic phenomena in the universe. Formed from the collapse of massive stars, these cosmic entities possess gravitational forces so strong that even light cannot escape their grasp. In this essay, we delve into the mysteries of black holes, exploring their formation, properties, and the profound impact they have on our understanding of the universe.黑洞是宇宙中最引人入胜和神秘的现象之一。
这些天体是由大质量恒星的坍缩形成的，它们具有如此强大的引力，以至于连光都无法逃脱它们的吸引。
在本文中，我们深入探讨黑洞的形成、特性以及它们对我们对宇宙的理解产生的深远影响。
Formation of Black Holes。
Black holes originate from the remnants of massive stars that have exhausted their nuclear fuel and undergogravitational collapse. When a massive star reaches the end of its life cycle, it can no longer sustain nuclear fusion reactions to counteract the inward pull of gravity. Consequently, the star's core collapses under its own weight, leading to the formation of a black hole.黑洞起源于已经耗尽核燃料并且发生引力坍缩的大质量恒星的残骸。
高中语文人教版必修3 4.13黑洞简介
黑洞简介黑洞（Black hole）是现代广义相对论中，宇宙空间内存在的一种密度无限大，体积无限小的天体，所有的物理定理遇到黑洞都会失效。
1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild，1873～1916年）通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解，这个解表明，如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。
这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇巴德·惠勒（John Archibald Wheeler）命名为“黑洞”。
“黑洞是时空曲率大到光都无法从其视界逃脱的天体”。
黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后，发生引力坍缩产生的。
黑洞的质量极其巨大，而体积却十分微小，它产生的引力场极为强劲，以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个事件视界（临界点）内，便再无法逃脱，甚至目前已知的传播速度最快的光（电磁波）也逃逸不出。
黑洞无法直接观测，但可以借由间接方式得知其存在与质量，并且观测到它对其他事物的影响。
借由物体被吸入之前的因高热而放出紫外线和X射线的“边缘讯息”，可以获取黑洞存在的讯息。
推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹取得位置以及质量。
科学家最新研究理论显示，当黑洞死亡时可能会变成一个“白洞”，它不像黑洞吞噬邻近所有物质，而是喷射之前黑洞捕获的所有物质。
演化过程黑洞就是中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小的奇点和周围一部分空空如也的天区，这个天区范围之内不可见。
依据阿尔伯特-爱因斯坦的相对论，当一颗垂死恒星崩溃，它将聚集成一点，这里将成为黑洞，吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。
黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程：某一个恒星在准备灭亡，核心在自身重力的作用下迅速地收缩，塌陷，发生强力爆炸。
当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星体，同时也压缩了内部的空间和时间。
00课件·14
LINKS Figures and tables Supplementary info
SEE ALSO
12 year orbit
100 million solar mass black hole
银河系中心Sgr A*的超大质量黑洞
Right Ascension difference from 17h 45m 40.045s
+0.5" +0.4" +0.3" +0.2" +0.1" 0.0" -0.1" -0.2 +0.5
由S2的轨道可得中心天体质量 4.1x106Mo. S2近心点距离17光时,说明该天 体直径小于17光时.实际上S14 近心点距离6.25光时，仅相当于 天王星轨道.
如此大的质量集中于如此小的空 间内，只有黑洞才符合。实际上, 这个黑洞的视界半径为41光秒， 符合要求。
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黑洞
(Black Hole)
John Archibald Wheeler (1911-2008)
黑洞探险
被黑洞潮汐力撕碎 被高能粒子烧成灰烬 安然无恙的生活 能逃出来吗 外部观察者会看到什么 时间膨胀 引力红移
黑洞面面观PPT课件
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第十一页，共五十七页。
恒星的形成
通常的恒星是万有引力效应将物 质聚集，同时恒星内部热核反应的大 量热能造成粒子剧烈运动形成排斥效 应，当这两种效应势均力敌时，恒星 维持平衡不会塌缩。
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第十二页，共五十七页。
恒星的塌缩
随着热核反应能量逐渐耗尽，恒星 会慢慢冷却，吸引效应压倒排斥效应， 使恒星塌缩。原子的壳层被压碎，形 成原子核在电子海洋中漂浮状态。此 时电子间的斥力抵抗不住恒星自身引 力，恒星塌缩至高密度状态。
.
7
第七页，共五十七页。
附：第二宇宙速度
如果将地球质量和半径的数值 代入，便是通常所谓的“第二宇宙 速度”。它是从地球表面将一个物 体发射到地球引力场以外所具有的 最低限度的速度。
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8
第八页，共五十七页。
黑洞（black hole）
直到1915年爱因斯坦提出广义相对论之前， 一直没有关于引力如何影响光的协调的理论。 又过了很长时间，这个黑洞的模型才被理解。 在没有任何观测到的实际证据证明其理论是正 确的情形下，作为数学模型的黑洞理论已经被 发展到非常详尽的地步。
按黑洞本身的物理特性划分
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25
第二十五页，共五十七页。
暗能量黑洞
暗能量黑洞主要由高速旋转的巨大的暗能量 组成，它内部没有巨大的质量。巨大的暗能 量以接近光速的速度旋转，其内部产生巨大 的负压以吞噬物体，从而形成黑洞。暗能量 黑洞的体积很大，可以有太阳系那般大。暗 能量黑洞是星系形成的基础，也是星团、星 系团形成的基础。
从上式中不难看出，质量越大、半径越小 的球体，其逃逸速度越大，如果令球体半径
R＜
则有 v逃＞c
这意味着什么呢？如果假定光也同一般物体一
小学天文课——黑洞PPT课件
神秘的黑洞
-
1
课题提出的背景
探索是人类天然的兴趣，飞行是人类天然的爱好。 任何有关宇宙和探索的话题都能引起整个社会的巨大兴 趣。黑洞探索的成绩有助于增强社会的凝聚力，有助于 激励社会的进取精神，有助于吸引小学生对科学的兴趣。
-
2
-3ຫໍສະໝຸດ -4什么是黑洞？
-
5
一、黑洞的概念
黑洞（Black hole）是现代广义相对论中，宇宙空间内存 在的一种密度极大体积极小的天体。
-
6
奇妙之旅：
黑：表明它不会向外界发射或反射任何光线
洞：是任何东西只要一进入它的边界，就会被它吸进去，就 别 想“爬”出来，连跑的最快的光也逃脱不掉，它就像一个真 正的“无底洞”
-
7
恒星周围的气体或气体云被黑洞吞噬时被加热到很高
温度，散发出强- 烈的X射线
8
电脑模拟黑洞吞噬- 地球
9
黑洞不是一个“黑窟窿”，而是一个非常神秘 的天体：
就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就
诞生了。
-
12
黑洞的扭曲作用：
-
13
吸积 蒸发 毁灭
-
演 化 过 程 ：
14
1、吸积
黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称 为吸积。“吸积”这个词来描述物质向中央引力体或者是中央延展物质系统的流 动。
-
15
2、蒸发
每个黑洞都有一定的温度，温度的高 低与黑洞的质量成反比例。也就是说， 大黑洞温度低，蒸发也微弱；小黑洞的 温度高蒸发也强烈，类似剧烈的爆发。
1、不旋转不带电荷的黑洞 2、不旋转带电黑洞 3、旋转不带电黑洞 4、一般黑洞 5、双星黑洞
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课题提出的背景
探索是人类天然的兴趣，飞行是人类天然的爱好。 任何有关宇宙和探索的话题都能引起整个社会的巨大兴 趣。黑洞探索的成绩有助于增强社会的凝聚力，有助于 激励社会的进取精神，有助于吸引小学生对科学的兴趣。
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2
-3ຫໍສະໝຸດ -4什么是黑洞？
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5
一、黑洞的概念
黑洞（Black hole）是现代广义相对论中，宇宙空间内存 在的一种密度极大体积极小的天体。
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6
奇妙之旅：
黑：表明它不会向外界发射或反射任何光线
洞：是任何东西只要一进入它的边界，就会被它吸进去，就 别 想“爬”出来，连跑的最快的光也逃脱不掉，它就像一个真 正的“无底洞”
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7
恒星周围的气体或气体云被黑洞吞噬时被加热到很高
温度，散发出强- 烈的X射线
8
电脑模拟黑洞吞噬- 地球
9
黑洞不是一个“黑窟窿”，而是一个非常神秘 的天体：
就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就
诞生了。
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12
黑洞的扭曲作用：
-
13
吸积 蒸发 毁灭
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演 化 过 程 ：
14
1、吸积
黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称 为吸积。“吸积”这个词来描述物质向中央引力体或者是中央延展物质系统的流 动。
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15
2、蒸发
每个黑洞都有一定的温度，温度的高 低与黑洞的质量成反比例。也就是说， 大黑洞温度低，蒸发也微弱；小黑洞的 温度高蒸发也强烈，类似剧烈的爆发。
1、不旋转不带电荷的黑洞 2、不旋转带电黑洞 3、旋转不带电黑洞 4、一般黑洞 5、双星黑洞
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黑洞_幻灯片
物理学观点的解释
• 黑洞其实也是个星球(类似星球),只不过 它的密度非常非常大, 靠近它的物体都被它 的引力所约束(就好像人在地球上没有飞走 一样),不管用多大的速度都无法脱离。对于 地球来说，以第二宇宙速度（11.2km/s） 来飞行就可以逃离地球，但是对于黑洞来 说，它的第二宇宙速度之大，竟然超越了 光速，所以连光都跑不出来，于是射进去 的光没有反射回来，我们的眼睛就看不到 任何东西，只是黑色一片。
黑洞对周围环境的影响
• 设想在弹簧床上放置一块质量非常大的石 头代表密度极大的黑洞。自然，石头将大 大地影响床面，不仅会使其弯曲下陷，还 可能使床面发生断裂。类似的情形同样可 以在宇宙中出现，若宇宙存在黑洞，则该 处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的 破裂叫作时空的奇异或奇点。
黑洞的物理特性
1、黑洞最重要的一个物理 特性之一，就是引力透镜 作用，光线会受到黑洞引 力的作用改变运行轨迹， 这使得我们可以看到远方 星系的侧面甚至后面。如 果光线的路径经过黑洞的 引力视界，那么它将无法 逃逸。
对于黑洞的研究历史
• 历史上，第一个意识到一个致密天体密度可以 大到连光都无法逃逸的人是英国地理学家John Michell。他在1783年写给亨利· 卡文迪什一封信 中提出这个想法的，他认为一个和太阳同等质量 的天体，如果半径只有3公里，那么这个天体是不 可见的，因为光无法逃离天体表面。1796年，法 国物理学家拉普拉斯曾预言：“一个质量如250 个太阳，而直径为地球的发光恒星，由于其引力 的作用，将不允许任何光线离开它。由于这个原 因，宇宙中最大的发光天体，却不会被我们看见 ”。
黑洞的形成
当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心 的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这 样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重 量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，物质 将不可阻挡地向着中心点进军，直到最后形成体积 接近无限小、密度几乎无限大的星体。而当它的半 径一旦收缩到一定程度（一定小于史瓦西半径）， 质量导致的空间扭曲就使得即使光也无法向外射出 ——“黑洞”就诞生了。
黑洞
“黑洞”很容易让人 望文生义地想象成一 个“大黑窟窿”，其 实不然。所谓“黑 洞”，就是这样一种 天体：它的引力场是 如此之强，就连光也 不能逃脱出来。说它 “黑”，是指它就像 宇宙中的无底洞，任 何物质一旦掉进去， “似乎”就再不能逃 出。实际上黑洞真正 是“隐形”的。
由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们 无法直接观测到黑洞。 然而，可以通过测量它对周围天体的 作用和影响来间接观测或推测到它的存 在。 比如说，恒星在被吸入黑洞时会在黑 洞周围形成吸积气盘，盘中气体剧烈摩 擦，强烈发热，而发出X射线。借由对这 类X射线的观测，可以间接发现黑洞并对 之进行研究。 迄今为止，黑洞的存在已被天文学界 和物理学界的绝大多数研究者所认同。
Байду номын сангаас
黑洞的形成过程：
跟白矮星和中子星一样， 黑洞也是由恒星演化而 来的。当一颗恒星衰老 时，它的热核反应已经 耗尽了中心的燃料 （氢），由中心产生的 能量已经不多了。这样， 它再也没有足够的力量 来承担起外壳巨大的重 量。
黑洞的形成过程：
所以在外壳的重压之下， 核心开始坍缩，物质将 不可阻挡地向着中心点 进军，直到最后形成体 积接近无限小、密度几 乎无限大的星体。而当 它的半径一旦收缩到一 定程度（一定小于史瓦 西半径），质量导致的 时空扭曲就使得即使光 也无法向外射出—— “黑洞”就诞生了。
10级地理科学系（师范类） 吴清姿
• 黑洞（Black hole）是根据现代的广义相对论所 预言的，在宇宙空间中存在的一种质量相当大 的天体。 • 黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃 料耗尽而死亡后，发生引力坍缩而形成。 • 黑洞质量是如此之大，它产生的引力场是如此 之强，以至于任何物质和辐射都无法逃逸，就 连光也逃逸不出来。 • 由于类似热力学上完全不反射光线的黑体，故 名为黑洞。在黑洞的周围，是一个无法侦测的 事件视界，标志着无法返回的临界点。
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超大质量黑洞从吸积盘中吸积的概念图
Part.8 结语
Classification of black holes
分类 质量 大小
超重黑洞
~105–1010 M太阳
~0.001–400 AU
中介质量黑洞
~103 M太阳
~103 km ≈ R地球
恒星黑洞
~10 M太阳
~30 km
微型黑洞
up to ~M月球
up to ~0.1 mm
质量达到太阳十倍的黑洞
吸积accretion by black hole
黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发 现的，这一过程被称为吸积。
黑洞拉伸，撕裂并吞噬恒星 恒星被黑洞吞噬
蒸发 Black hole evaporation
20世纪70年代，英国科学家霍金等人以量子力学 为基础，对黑洞作了更缜密的考察，结果发现黑 洞会像“蒸发”那样稳定地往外发射粒子。
Black Hole
Introduction to black hole
黑洞是时空曲 率大到光都法 从其视界逃脱 的天体
Physicists
米切尔预言的黑洞
历史上，第一个意识到一个致密 天体密度可以大到连光都无法逃 逸的人是英国地理学家John Michell。他在1783年写给亨 利· 卡文迪什一封信中提出这个想 法的，他认为一个和太阳同等质 量的天体，如果半径只有3公里， 那么这个天体是不可见的，因为 光无法逃离天体表面。
坍缩和爆发的压力进而使核心被压缩成致密的星 核，而致密星核又分化为白矮星、中子星、黑洞。
视频：黑洞的产生
中子星的奥本海默极限
奥本海默（1904～1967）在1939年研究提出
如果中子星的质量超过3.2 m⊙(太阳质量的3.2倍)（精 细的模型给出值在2～3 m⊙之间），则其的中子间的泡 利斥力就再也阻挡不住星体引力坍缩，会进一步被压 缩成一个体积很小而质量巨大的高密度引力源——黑 洞。上述3.2 m⊙（常记作3）的中子星界限被称作“奥 本海默极限”，任何超此极限的恒星都难以停留在中 子星阶段。
角色 半径 平均密度
主序星（太阳） 70万千米 1.4 g / cm3
Albert Karl Schwarzschild
Einstein
Stephen William Hawking
Evolution of black holes
两种力量的较量及结局
天 体 内 部
向内收缩
来源 向外扩张
万有引力 物质粒子之间的斥力 黑 洞 内 部 未 知
这幅照片由钱德拉X射线望远镜拍摄，展示了半 人马座A星系内一个超大质量黑洞产生的影响。
美国宇航局最近宣布，他们第一次观测到附近一个星系内发生 的黑洞“诞生”过程。这个黑洞由爆炸的恒星形成。据“探索 新闻”报道，这个“婴儿”黑洞位于M-100星系，距地球大约 5000万光年。这一发现让宇航局陷入兴奋之中，因为他们终于 知道了一个黑洞的“出生日期”，进而让科学家对黑洞的研究 达到一个前所未有的程度。
(2). 史瓦西预言的黑洞
德国天文学家卡尔·史瓦西（1873—1916年）通过 计算爱因斯坦方程后预言： 如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇 异现象，即在质点的周围存在一个界面──“视界”， 一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。
2Gm r 2 c
天体半径达到左式范围时光线也 无法逃脱 令v=c，该式就变为拉普拉斯公式
拉普拉斯预言的黑洞
PierreSimon Laplace
1798年，法国拉普拉斯预言： 一个与地球密度相同，而直径为太阳250倍的星球， 它发射的光将被其自身的引力拉住而不能被我们接收。 宇宙中最明亮的天体很可能是看不见的。
史瓦西预言的黑洞
(1). 爱因斯坦广义相对论关于“质量引起时空弯曲”
史瓦西预言的黑洞
毁灭Black hole destruction
黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸。 当英国物理学家史蒂芬· 霍金于1974年做此预言时， 整个科学界为之震动
Hale Waihona Puke 当黑洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高。 这样，当黑洞损失质量时，它的温度和发射率增加， 因而它的质量损失得更快。这种“霍金辐射”对大 多数黑洞来说可以忽略不计，因为大黑洞辐射的比 较慢，而小黑洞则以极高的速度辐射能量，直到黑 洞的爆炸。
美国宇航局2010年11月15日发现地球附近有一个年 仅30岁的黑洞，这也是人类科学史上发现的最年轻的黑洞。 这个最年轻的黑洞是天文学家利用美国宇航局的钱德 拉X射线望远镜发现的，它为观测这类婴儿期天体提供了独 一无二的机会。美国宇航局声称，这个黑洞将能够帮助科 学家更好地理解大质量恒星是如何爆炸的，恒星爆炸后留 下的是黑洞还是中子星，以及银河系和其他星系黑洞的数 量。 这个30岁的黑洞是距离地球约5000万光年的M100星系 中的超新星“SN1979C”的余烬。根据钱德拉X射线望远镜、 美国雨燕卫星、欧洲宇航局牛顿X射线天文望远镜(XMMNewton )以及德国伦琴卫星获得的数据显示一个明亮的X射 线源，这个X射线源在1995年到2007年这段观测期内一直非 常稳定，这表明这个天体是一个黑洞，它正在吞噬这颗超 新星和伴星落下的物质。
主序星的扩张斥力来自热核反应导致的粒子间的 高温热运动形成的辐射压，辐射压与引力压平衡； 白矮星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力， 主要来源于高密度电子间的泡利斥力； 中子星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力 则来自中子之间的泡利斥力（简并压）；
两种力量的较量
(2).恒星演化的最终产物
内部的核燃料耗尽时，热核反应熄火，外向的辐 射压消失，失去了抗衡而大获全胜的引力使红巨星发 生急剧的坍缩，坍缩又引起反弹和爆发，爆发使大量 物质被抛射。
Observation of black holes
这幅图片展示了一个微类 星体。微类星体据信是质 量与恒星相当的小黑洞。 如果掉入这个黑洞，你能 够穿过黑洞的边界，也就 是事件视界。即使尚未被 巨大的引力碾碎，你也无 法从这个黑洞的后部穿出， 逃离升天。等待你的将是 无边无际的黑暗，任何人 也看不到你。黑洞之旅将 是一个致命的旅程。如果 一个人胆敢进入黑洞，他 /她最终将被可怕的引力 撕裂。
美国物理学家惠勒（J.A.Wheeler）将这类天体命名为“黑洞” （Black Holes）
史瓦西预言的黑洞
(3).质量足够大或者体积足够小的恒星都能演化成 黑洞
质 量 不 变
太阳
压缩
到半径3km时
黑洞
到半径3mm时
地球
表一
主序星、白矮星、中子星、黑洞时的尺度与密度
白矮星 1万千米 ~1 T / cm3 中子星 10千米 ~1 亿吨 / cm3 黑洞 3千米 ~100 亿吨 / cm3
艺术概念图，展示了一 个类星体。这个类星体 位于一个星系中央，是 一个超大质量黑洞，四 周被旋转的物质环绕。 类星体是处于早期阶段 的黑洞，可能存在了数 十亿年之久。它们据信 在宇宙古代形成。由于 被物质遮住，发现类星 体并非易事。
一幅伪色图片，所用数 据来自于美国宇航局的 斯皮策和哈勃望远镜， 一个超大质量黑洞正向 外喷射巨大的粒子喷流。 宇航局表示，这个喷流 的长度达到10万光年， 体积相当于我们的银河 系。万花筒般的色彩说 明喷流拥有不同的光波。 人马座A星系中央存在 一个超大质量黑洞。宇 航局认为这个黑洞的质 量相当于40亿颗太阳。