黑洞PPT课件
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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”。视频：黑洞的观测
黑洞的观测与发现
源自文库
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
视频：黑洞周围星体的运动
M87及其喷流的X射线照片
黑洞的观测与发现
现代科学技术概论
现代科学技术概论教学团队 2010年3月
宇宙篇
目录
一、科学家的预言 二、观测与发现 三、黑洞的类型 四、白洞、虫洞与时空旅行
宇宙黑洞
什么是黑洞？
怎样观测和发现黑洞？ 黑洞有那些类型？ 有白洞吗？
一、科学家的预言
拉普拉斯预言的黑洞 宇宙中存在着奇异暗星
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。
黑洞的观测与发现
（2）LMCX-3双星中的暗星
黑洞候选者
强X射线源LMCX－3中含有一颗质量大约为10个太阳质量的黑洞。
银河系附近的“大麦哲伦星云”——发现的第二可能的黑洞
黑洞的观测与发现
（3）麒麟座X射线新星A0620－00
黑洞候选者
在麒麟座距地球约3000光年外，发现了X射线源 A0620―00，其质量在3.2 -7 m⊙之间，可能是已知离 地球最近的候选者。
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
视频：黑洞的产生 视频：恒星——中子星——黑洞
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。
黑洞的观测与发现
（4）银河系的1E1740.7-2942
黑洞候选者
1990年发现了一个较强的X射线和γ射线源，它距银河系 中心不到300光年，暂时代号为1E1740.7-2942
黑洞的观测与发现
（5）遥远星系（M87）的中心黑洞
黑洞候选者
1994年，哈勃太空望远镜拍摄到，在距离地球约5000万光年的椭圆星系M87
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”
视频:物体质量令其周围的时空弯曲
质量足够大、体积足够小，都能使形体周围的时空弯曲到封闭的程度
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：
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 太阳
到半径3km时
量
压缩
不 变
地球
到半径3mm时
黑洞
表一 主序星、白矮星、中子星、黑洞时的尺度与密度
角色
主序星（太阳）
白矮星
半径 平均密度
70万千米 1.4 g / cm3
1万千米 ~1 T / cm3
中子星
黑洞
10千米
3千米
部
未
中子星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力
知
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。
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。
中，一团宽约1.6亿公里的灼热气体形成的吸积盘正在环绕其中心旋转
每秒竟达约500公里的旋转速率表明，它可能有一个量级可达109 m⊙的超 大质量黑洞。
高能喷流 高速带电粒子 小到10光年的亮团组成
巨大的黑洞正把星体吸进去
黑洞的观测与发现
（6）银心黑洞
黑洞候选者
2002年，美国加州大学的科学家在《自然》周刊上公布了银心可能存在黑 洞的消息。该黑洞的体积大约是太阳的260万倍，直径大约是地球轨道直径 的1/10，众多恒星围绕它旋转，构成巨大的圆盘。该黑洞是一个强烈的射 电和X射线源，定位在人马座A（Sgr A，）的地方，称为人马座A*，离地球 约有26,000光年的距离。
视频：中子星形成黑洞的条件
二、观测与发现
观测黑洞的方法
1．黑洞无毛定理
由于黑洞及其视界以内吸引一切，所以我们无法 看到它的真面目。按照现行的物理理论，黑洞强大的 引力场足以摧毁其内部的一切物质形态，扫去一切复 杂的物质结构，刮去了“毛发”，使结构变得简单， 只剩下了质量、电荷及角动量，知道了这三个参量， 也就知道了它的一切。
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。
r
2Gm c2
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
美国物理学家惠勒（J.A.Wheeler）将这类天体命名为“黑洞” （Black Holes）
（1）天鹅座X-1号的双星系统 黑洞候选者
1966年探测到天鹅座X-1号星，质量约为7-14m⊙，射出强 烈的X射线、γ射线。1971年，X射线天文卫星“自由号”在观 察天鹅座X-1号星后证实：看得见的那一颗是蓝色的超巨星；
1976年11月美国发射的“高能天文台一2”号卫星，已经拍摄 到这颗黑洞的照片。这是第一个可能的黑洞。
~1 亿吨 / cm3 ~100 亿吨 / cm3
两种力量的较量及结局
(1). 引力与斥力的较量
天
向内收缩
万有引力
体
来源
内
部
向外扩张
物质粒子之间的斥力
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；
黑 洞
白矮星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力，
内
主要来源于高密度电子间的泡利斥力；
黑洞的观测与发现
源自文库
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
视频：黑洞周围星体的运动
M87及其喷流的X射线照片
黑洞的观测与发现
现代科学技术概论
现代科学技术概论教学团队 2010年3月
宇宙篇
目录
一、科学家的预言 二、观测与发现 三、黑洞的类型 四、白洞、虫洞与时空旅行
宇宙黑洞
什么是黑洞？
怎样观测和发现黑洞？ 黑洞有那些类型？ 有白洞吗？
一、科学家的预言
拉普拉斯预言的黑洞 宇宙中存在着奇异暗星
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。
黑洞的观测与发现
（2）LMCX-3双星中的暗星
黑洞候选者
强X射线源LMCX－3中含有一颗质量大约为10个太阳质量的黑洞。
银河系附近的“大麦哲伦星云”——发现的第二可能的黑洞
黑洞的观测与发现
（3）麒麟座X射线新星A0620－00
黑洞候选者
在麒麟座距地球约3000光年外，发现了X射线源 A0620―00，其质量在3.2 -7 m⊙之间，可能是已知离 地球最近的候选者。
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
视频：黑洞的产生 视频：恒星——中子星——黑洞
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。
黑洞的观测与发现
（4）银河系的1E1740.7-2942
黑洞候选者
1990年发现了一个较强的X射线和γ射线源，它距银河系 中心不到300光年，暂时代号为1E1740.7-2942
黑洞的观测与发现
（5）遥远星系（M87）的中心黑洞
黑洞候选者
1994年，哈勃太空望远镜拍摄到，在距离地球约5000万光年的椭圆星系M87
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”
视频:物体质量令其周围的时空弯曲
质量足够大、体积足够小，都能使形体周围的时空弯曲到封闭的程度
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：
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 太阳
到半径3km时
量
压缩
不 变
地球
到半径3mm时
黑洞
表一 主序星、白矮星、中子星、黑洞时的尺度与密度
角色
主序星（太阳）
白矮星
半径 平均密度
70万千米 1.4 g / cm3
1万千米 ~1 T / cm3
中子星
黑洞
10千米
3千米
部
未
中子星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力
知
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。
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。
中，一团宽约1.6亿公里的灼热气体形成的吸积盘正在环绕其中心旋转
每秒竟达约500公里的旋转速率表明，它可能有一个量级可达109 m⊙的超 大质量黑洞。
高能喷流 高速带电粒子 小到10光年的亮团组成
巨大的黑洞正把星体吸进去
黑洞的观测与发现
（6）银心黑洞
黑洞候选者
2002年，美国加州大学的科学家在《自然》周刊上公布了银心可能存在黑 洞的消息。该黑洞的体积大约是太阳的260万倍，直径大约是地球轨道直径 的1/10，众多恒星围绕它旋转，构成巨大的圆盘。该黑洞是一个强烈的射 电和X射线源，定位在人马座A（Sgr A，）的地方，称为人马座A*，离地球 约有26,000光年的距离。
视频：中子星形成黑洞的条件
二、观测与发现
观测黑洞的方法
1．黑洞无毛定理
由于黑洞及其视界以内吸引一切，所以我们无法 看到它的真面目。按照现行的物理理论，黑洞强大的 引力场足以摧毁其内部的一切物质形态，扫去一切复 杂的物质结构，刮去了“毛发”，使结构变得简单， 只剩下了质量、电荷及角动量，知道了这三个参量， 也就知道了它的一切。
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。
r
2Gm c2
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
美国物理学家惠勒（J.A.Wheeler）将这类天体命名为“黑洞” （Black Holes）
（1）天鹅座X-1号的双星系统 黑洞候选者
1966年探测到天鹅座X-1号星，质量约为7-14m⊙，射出强 烈的X射线、γ射线。1971年，X射线天文卫星“自由号”在观 察天鹅座X-1号星后证实：看得见的那一颗是蓝色的超巨星；
1976年11月美国发射的“高能天文台一2”号卫星，已经拍摄 到这颗黑洞的照片。这是第一个可能的黑洞。
~1 亿吨 / cm3 ~100 亿吨 / cm3
两种力量的较量及结局
(1). 引力与斥力的较量
天
向内收缩
万有引力
体
来源
内
部
向外扩张
物质粒子之间的斥力
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；
黑 洞
白矮星阻止自身发生引力坍缩的外向斥力，
内
主要来源于高密度电子间的泡利斥力；