天文学概论11

9.3 黑洞的奇妙性质史
9.3.1 视界
=>没有物质(甚至光)可以 从史瓦西半径内逃脱。
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。
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。
我们没有办法知道在史瓦西 半径内发生了什么。
“视界”
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。
第九wenku.baidu.com 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。”。
S 1· S· S 2·
B·
引力透镜示意图
E
黑洞新类型
探测发出X射线双星系统
=> 强X射电源! 加热到几百万K。
黑洞X射线系统
黑洞周围的吸积盘
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
X射线爆发4U 1820-30
在星团 NGC 6624
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。
—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 ≈
vesc
11.6 km/s.
V=（2GM/R）0.5
G=6.67x10-11（Nm2/kg2）
现在,随着距离的重
vesc
力减少(~ 1 / d2)
= >表面上方较高的 地方
= >较低的逃逸速度。
vesc
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。
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
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。
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。
史瓦西（Schwarzschild）半径
=>有一个限制逃逸速度达到光速， c 的半径:
Rs =
_2_G_M_ c2
G = 万有引力常数 M = 质量
Vesc = c
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。
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（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。
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
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。
视界
9.3.4 引力红移
引力红移
All wavelengths of emissions from near the event horizon are stretched (red shifted).
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。
巨型黑洞
星系核心
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。
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。
黑洞研究的最新成果
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？
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。
所有波长的辐射在视界被拉长 (红移)。
频率降低
视界
9.3.5“黑洞无毛”
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。
黑洞可以分为四大类： 1. 史瓦西黑洞：无电荷、无转动的球状黑
洞； 2. 雷斯勒-诺斯特诺姆黑洞：有电荷、无转
动的球对称黑洞； 3. 克尔黑洞：无电荷但有转动的黑洞； 4. 克尔-纽曼黑洞：带电荷又有转动的旋转
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"。
黑洞。
9.4 黑洞的天文探测
没有光可以从黑洞逃离。 => 黑洞也不能被直接观测到。
探测不可见的黑洞有两条路： 1.追踪黑洞周围强大的引力场会引起何 种效应； 2.捕捉黑洞吞噬视界以外物质留下什么 痕迹。
1. 根据引力效应发现看不见的天体； 2. 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。
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
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： ①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。 ②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。