《黑洞类星体》PPT课件.ppt

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1、现代天文学十五讲第十讲黑洞和类星体北京大学天文系吴鑫基作业和小论文1，小论文在5月底6月初交2，第3次作业最迟在考试前1周交第九讲、第十一讲、第十二讲外加一个题目对现代天文学课程和教材的意见（优缺点、改进建议、教材中的问题）一，黑洞概念的提出二，黑洞的性质和类型三，霍金的量子黑洞四，寻找黑洞五，谜一样的天体－－类星体六，类星体的挑战（本讲不要求，仅提要式的介绍）黑洞和类星体是两种不同性质的天体,但都是对宇宙演化有举足轻重地位的天体。黑洞是理论研究的产物，当今已越来越多地与天体物理前沿领域众多的热点课题相关联，并到了搜寻黑洞阶段。类星体是迄今为止观测到的最明亮、最遥远、最古老的天

2、体。它的能量来源、特大红移和“超光速”现象成为争论的焦点。要点1，第二宇宙速度(逃逸速度)根据动能(mv2/2)>引力势能(GMm/R)导出地球上的逃逸速度为11.2千米/秒。R愈小，M愈大，逃逸速度愈大；当某天体的逃逸速度达到光速，光也不可能离开这个天体，形成黑洞。如果地球半径压缩到只有0.9厘米时，逃逸速度就超过光速。一，黑洞概念的提出2，黑洞的预言1795年拉普拉斯预言黑洞的存在：“一个密度和地球一样而直径为太阳的250倍的发光恒星，由于引力的作用，它将不允许任何光线离开它，不能被我们看见。”称这种天体为“黑暗的一团”。1783年英国牧师、地质学家约翰·米歇尔还早于拉普拉

3、斯提出几乎一样的看法。广义相对论的概念研究相对作加速运动的参考系情况基本经验根据：引力质量（F=GMm/r2）和惯性质量（F=ma）的等同性失重和超重现象广义相对论爱因斯坦场方程大质量物体（天体）将引起其附近的时空弯曲；3,广义相对论关于黑洞的概念广义相对论里没有逃逸速度这个概念，而是引力场使时空弯曲。在弯曲空间，如球面，两点之间最短的距离曲线，大圆的一部分。月球绕地球运转是因为地球的质量扭曲了附近的时空，使月球绕地球运转，就如火车沿铁轨运行一样，当铁轨变弯曲后，火车自然沿弯曲的铁轨运行。质量一定的恒星，当其半径越小，对周围时空弯曲作用越大，半径小到一定程度后，朝某些角度发出的

4、光就将沿弯曲空间返回恒星表面。二，黑洞的性质和类型1,史瓦西黑洞最简单的黑洞，不旋转，不带电,仅有有质量参数，称为史瓦西黑洞或球形黑洞。垂直于表面发射的光都被捕获处的半径，表示黑洞的半径算出：太阳的史瓦西半径为3千米，地球仅为0.9厘米。与由牛顿力学推导出的公式所给出的估计是一致的。2，视界：史瓦西半径是黑洞的边界。物质（包括光）一旦落入视界之内，就再也不能逃出视界。3，中心奇点：黑洞除中心有物质以外，其它地方空无一物，中心点的物质密度、引力都是无穷大，故称奇点。3，黑洞对外界光线的影响4，克尔旋转黑洞黑洞有自转，造成黑洞偏离球形而成椭球体。旋转黑洞有两个参量：质量和角动量。黑

5、洞看不到，无法测量其自转，但自转角速度不会比中子星小。旋动黑洞的周围就像宇宙中的一个引力大旋涡，旋涡中心是黑洞，在旋涡附近的物体都会吸向旋涡中心。旋转黑洞周围的引力涡旋牛顿力学：物质运动不影响引力场；广义相对论：物质旋转产生附加的旋涡引力场，其大小由角动量决定；附加旋涡引力场区域形成能层。无旋转黑洞的视界上引力为无穷大；有旋转的黑洞改变了，在视界以外的能层的表面上引力变得无穷大，形成外视界。在能层中的所有物体将作圆周运动。克尔黑洞就是有旋转的黑洞。克尔黑洞的视界史瓦西黑洞只有一个视界，而旋转黑洞有外视界和内视界。两个视界之间的区域称为能层。在能层内的物质会被黑洞的自转所带动，但

6、仍有机会逃离黑洞。内视界才是真正的死亡线，黑洞的质量没有上限。特大质量的黑洞形成途径：比较大的恒星级黑洞逐步吞食附近的物质形成；恒星集团的引力坍缩而形成；宇宙早期形成的大大小小质量的黑洞，包括特大质量的原初黑洞。5，特大质量黑洞三，霍金的量子黑洞基于广义相对论原理，考虑量子论的影响，黑洞不完全“黑”，边界不再是密不可透。空间中充满了正反粒子对，在黑洞附近，如果一个粒子或反粒子掉到黑洞里面去，留下它的伴侣就相当于是黑洞发射的辐射。辐射为热谱。质量越大温度越低。与太阳相当的黑洞，温度接近绝对温度零度。但质量10亿吨的小黑洞具有一千二百多亿度的高温，发射强度很大，类似一种爆发。史蒂芬

7、·威廉·霍金1942年诞生，17岁上牛津大学，后到剑桥大学攻读天文学博士，一帆风顺。21岁得了帕金森氏病，面临“早逝”的危险，他开始了天文学的学习和研究。到1970年，完全被禁锢在轮椅上，头也抬不起来，失去了说话的能力。霍金以重病之身克服人们无法体会的病痛折磨，取得了全世界瞩目的成就。“霍金辐射理论”，把引力论、量子论和统计力学统一到一起，作出了划时代的贡献。1978年荣获物理学领域的最高奖“爱因斯坦奖”。他在黑洞和宇宙论方面的贡献，被誉为当今的爱因斯坦，成为当代最杰出的物理学家和天文学家之