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时间:2020-06-13
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1、现代天文学第十讲黑洞北京大学天文系吴鑫基一,黑洞概念的提出二,各种黑洞三,寻找黑洞1,第二宇宙速度(逃逸速度)根据动能(mv2/2)>引力势能(GMm/R)导出R愈小,M愈大,逃逸速度愈大;逃逸速度达光速,光不能离开,形成黑洞;地球半径压缩到0.9厘米,就形成黑洞;一,黑洞概念的提出1795年,拉普拉斯预言:“一个密度和地球一样而直径为太阳的250倍的发光恒星,引力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斯提出几乎一样的看法。2,黑洞的预言广义相对论G=8πT张量3,广义相对论关于黑洞的概念弯
2、曲时空=物质的能量动量物质告诉时空怎么弯曲;时空告诉物质怎么运动。比喻时空弯曲的例子原来平直,因中间放了一个铅球而弯曲放一个小球在上面,它会滚入中央的铅球处。若小球有横向速度,将绕铅球转起来。牛顿:铅球的万有引力吸引了小球;爱因斯坦:由于铅球的存在使空间弯曲了,小球并未受到任何力,只在弯曲空间作自由(惯性)运动。广义相对论的三大预言爱因斯坦场方程,很复杂,由10个方程组组成,非常难解。近似解给出三大预言:1,光线偏折(时空弯曲);2,引力红移(时空弯曲处,时间会变慢);3,轨道进动;广义相对论的黑洞质量一定的恒星,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
3、些角度发光就将沿弯曲空间返回恒星表面。这就是黑洞。超新星爆发后,形成的中子星的质量超过2个~2个太阳质量引力仍大于简并中子气压,继续塌缩,形成黑洞。最简单:不旋转,不带电,仅有质量参数;垂直于表面发射的光都被捕获处的半径,表示黑洞的半径Rs=2GM/c2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。1,史瓦西黑洞(球形黑洞)二,各种黑洞视界: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。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。黑洞对外界光线
4、的影响飞船靠近黑洞表面地球上看:飞船越趋近黑洞,走得越慢;飞船发出的光线的频率越来越长,飞船变得越来越红,越来越暗,逐渐冻结在黑洞的表面上,消失在黑暗中。飞船上:除了潮汐力不断加大之外,感觉不到任何异常,并将进入黑洞。当然,强大的潮汐力可能将飞船和宇航员撕裂。黑洞有自转,偏离球形而成椭球体。旋转黑洞有两个参量:质量和角动量。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。2,克尔旋转黑洞不再是中心的奇点,而是一个平躺在赤道面上的奇异环。进入克尔黑洞的飞船只要不进入奇异环所在的赤道面,飞船可以在其附近自由飞翔。黑洞的质量没有上限。特
5、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。3,特大质量黑洞史蒂芬·威廉·霍金1942年生,17岁上牛津大学,后到剑桥大学读博士。21岁得了帕金森氏病,面临“早逝”的危险,他才开始学天文学。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。继续天文学的研究。4,霍金的量子黑洞黑洞是一个绝对的吸收体,它只可能与外界发生单向的物质与质量的传递。霍金说:黑洞不黑,黑洞可能辐射能量,可能发射粒子。但仅对微型黑洞有效。黑洞不黑黑洞因捕获负粒子而损失能量,相当于黑洞发射
6、的辐射。辐射为热谱。质量越大温度越低,质量10亿吨的微黑洞,有一千二百多亿度的高温,辐射很强。黑洞蒸发如果有电场存在:当一对正负电子在真空中出现,它们会被电场沿相反方向分离,就不能再碰撞和湮灭。微型黑洞的强引力场,相当于电场的作用。导致正反粒子会分离一段很短的时间。正粒子或反粒子都有可能掉入黑洞,其中反粒子掉入的可能性大一些,因此在黑洞视界外就有一些正粒子,相当于黑洞发射了正粒子。黑洞在蒸发,发出粒子流。微型黑洞在宇宙的初始时刻或在超新星爆发时,有可能形成微型黑洞。其质量相当于一座山,尺度如同一个基本粒子。质量为100万吨的黑洞,黑洞半径只有质子大,能维持10年。黑洞的寿命
7、与其质量的立方成正比。1、双星中黑洞的搜寻黑洞虽不发光,但它在引力依然存在。根据双星运动估计出看不见的天体的质量,如果大于3个太阳质量,就可能是黑洞。黑洞把周围的物质吸入的过程中,会发出强烈X射线辐射。这也是一个重要判据。三,寻找黑洞有很强X射线辐射,伴星是质量约25-40个太阳质量的蓝巨星,轨道周期为5.6天,X射线源约为7个太阳质量,超过中子星质量上限,是比较公认的黑洞的候选者。VCD黑洞恒星级黑洞候选者--天鹅座X-1示意图光学观测,银河系中心是漆黑一团。射电观测发现强源人马座SgrA,由东西两个源组成。西边
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