Black Hole(黑洞的科普,选修课)

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。
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
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。
超大质量黑洞从吸积盘中吸积的概念图
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。
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
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Leabharlann Baidu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。
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。
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
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。
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。
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。
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
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
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。
(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