致密天体课件_3

*1 第四章 致密天体 1.白矮 星 2.中子星 3.脉冲星 4.黑 洞 /xkong/introast/ 黑洞/Black Hole is an object whose gravity is so powerful that not even light can escape it. *4 n1783，Michell 和Laplace：光速有限逃逸速度 n1915年11月, A. Einstein 发表广义相对论方程 n1915年12月, 德国物理学家Karl Schwarzschild 求解了 Einstein引力场方程，给出静态球对称引力场的外部解 n1963年, R. Kerr 给出旋转的球对称引力场的外部解 历史回顾 引力半径 *5 n1967年12月29日J. Wheeler 在纽约的一次讲演中首次使用 “black hole”一词。 n1972年，Bekenstein 引入了黑洞的温度和熵等概率 n1972年，Hawking、Bardeen和Carter 等人提出黑洞力学 性质和四条定律 n1974年，Hawking 提出黑洞量子力学理论：黑洞辐射 *6 相对论 n狭义相对论 (1905) 论动体的电动力学 n广义相对论 (1915) q等效原理：引力和惯性力是等效的。 q物理定律的形式在一切参考系都是不变的 q物质质量的存在会造成其周围时空的弯曲 q爱因斯坦场方程引力场方程 q非线性偏微分方程，难解：史瓦西解和 Kerr解 *7 时空弯曲 物质 引力源 时空弯曲 引力场强弱 时空弯曲程度 Any mass causes the rubber sheet (space) to be curved *8 gravity = bending of space by mass, light follows curved space *9 验证：1)引力红移； 2)光线偏转 ；3)行星轨道近日点反常进动： 在广义相对论建立之前，就知道 水星近日点具有牛顿理论所不能 解释的反常进动,每百年43.”11； 爱因斯坦利用广义相对论计算结 果符合。4)雷达回波的延迟。5） 宇宙膨胀 *11 Schwarzschild黑洞 (不转动) n史瓦西度规： n度规奇点： n黑洞视界：r=rg.视界以内是黑洞，光线不能从黑 洞中逃出 n任何物体只能向视界里面落去，不能从视界出来 ：单向膜 *12 天体太阳白矮星中子星黑洞 rg/R105.41041011 Schwarzschild黑洞 (不转动) n只有当天体的实际半径R小于其引力半径rg时， 才称为黑洞 n黑洞密度：质量和视界包含的体积之比。 rM/rg31/M2 n天体致密程度可以用r g/R 表示，该值越大表明 引力场越强 *13 3 MSun Black Hole 3Msun 黑洞的视界 is also as big as a small city Neutron star *14 If the Sun shrank into a black hole, its gravity would be different only near the event horizon Black holes dont suck! *15 光层：r=1.5 rg的球面，在 光层各向同性 辐射光子中的 一半可以逃逸 *16 n史瓦西黑洞：spherical, static and non-rotating black hole nSingularity：奇点； Horizon：视界； 光球r=1.5rg nworldline diagram：世界线 *17 n世界线 q物体在四维时空中经过的路径 q一个粒子在任何时刻只能处于一特定 位置，四维空间中是一条连续的曲线 n光锥 q发生于特定时空中的一个事件散开的 光在四维时空里形成的三维的圆锥 q光子v=c,光子的世界线沿着光锥 q物质不能运动得比光快它们的世界 线必须处于光锥之中或光锥面上 q在rt图上，两条世界线构成与r轴和t 轴夹角都是45度角的光锥 *18 史瓦西时空 n黑洞外部 q光锥的未来指向是向上的 q越靠近黑洞，光锥越扁。 q黑洞表面上，光锥退化为 一根线。 n黑洞内部 q光锥的方向横过来了 q随着靠近奇点，光锥由“胖 ”变“瘦”。 *19 n黑洞的形成使时空 分成被视界隔离的 两个部分，物质和 辐射能由视界以外 进入其内，但不能 反过来，这就是黑 洞名称的由来。 黑洞的视界是绝对的。它是时空中的分界 ，与观测者无关，它将所有的事件分成两 类。在视界以外，可以由光信号在相互联 系，而在视界之内，光线都朝中心集聚。 地球上的视界是相 对的，它是一以观 测者为中心的圆， 并随观测者运动。 视界的性质 *20 Thought Question Is it easy or hard to fall into a black hole? A. Easy B. Hard Hint: A black hole with the same mass as the Sun wouldnt be much bigger than a college campus *21 Light waves take extra time to climb out of a deep hole in spacetime leading to a gravitational redshift *22 n光子(l0)在引力场发射出来后， 为克服引力势必须消耗能量，光 子能量部分转化为引力势能，使 得频率变低而产生的红移 引力红移 频率变低时钟变慢1)单个光子 能量变低，2)单位时间内接受光子 数减少(发射过程变慢) *23 Time passes more slowly near the event horizon *24 n天鹅座X-1 Pulses of ultraviolet light from clumps of hot gas fade and then disappear as they swirled around the black hole candidate Cygnus X-1. *25 n当宇航员坠向黑洞时，他 自己并不会感到有什么异 常现象就算他掉进视界里 。 n当他到达奇点时，他最终 还是被撕碎了。 n观测者:宇航员越靠近视界 ，观测者看到他的手表和 动作越慢，他的图像越发 红(引力红移) n到达视界，他的动作停滞 了；人们看不到它在视界 内的告别与惨死。 *26 Kerr黑洞 n克尔黑洞是爱因斯坦场方程预 言下的一类带有角动量的黑洞 ，因此也叫做旋转黑洞。 n时空结构由克尔于1963年求 出 n它有两个视界和两个无限红移 面，而且这四个面并不重合。 n两个无限红移面分别在内视界 内部和外视界外部，它们与视 界所围成的空间分别叫做内能 层和外能层。 *27 nKerr黑洞并不是在固 定的外部空间中转动 的陀螺，而是拖曳着 整个时空同它一起转 动(Lense-Thirring effect)。 n靠近黑洞处的时空被 不可抗拒地扭曲成旋 涡状。 n从旋转黑洞中提取能 量的过程成为彭罗斯 过程。提取能量，黑 洞转动变慢 *28 n星体塌缩成黑洞以后，只 剩下质量、角动量和电荷 三个守恒量。 n星体的其他一切信息进入 黑洞以后彻底消失 n黑洞的分类 q只由质量来表征的球对称、 静态的史瓦西黑洞 q球对称、静态的、带电的 Reissner-Nordstrm黑洞 q转动而显电中性的克尔黑洞 q转动且带电的克尔-纽曼黑洞 三毛定理 *29 n贝肯斯坦:黑洞温度和熵的概念 n霍金等人：黑洞力学性质可以用黑洞面积 (A)和视界的表面引力(g)来表征 q第零定律 第三定律 nT1/M:质量越小的黑洞，温度越高；大质 量黑洞温度低 n黑洞是负热容体系，黑洞不能和外界处于 稳定的热平衡 黑洞热力学 *30 黑洞量子力学 n经典黑洞：黑洞是绝对的黑.不能有任何东西从黑洞 中跑出来,也不能从黑洞视界里提取任何一点能量 n霍金：在视界周围，真空会被强引力场极化。 n黑洞蒸发：黑洞既有发射，也有吸积 n狄拉克：量子真空 q真空中所有正能态都空着,而负能态都充满一个粒子状态 q正负能态之间有一个禁区,使得正负能态的粒子不能相互 跃迁,真空是稳定的 q外场作用,从强场到弱场过渡,正负能态出现交错.隧道效应 ,一定穿透的概率 *31 *32 n真空极化： q量子真空被黑洞 周围的强引力场 极化，正反虚粒 子对会分离一段 很短的时间，正 粒子逃逸几率大 q负粒子被吸收 黑洞质量减小 q正粒子逃逸 带 走能量 n黑洞蒸发：黑洞既 有发射，也有吸积 *33 n背景：下落的热气体和 尘埃形成了快速转动的 盘状区域，黑洞为位于 吸积盘中心的小黑点 n图A：吸积盘。恒星级 黑洞，盘的大小和太阳 系尺寸相仿 n图B：A closeup view of the core of the accretion disk n图C：吸积盘结构 n图D：A closeup view of the previous cutaway drawing of the accretion disk, the jet, and the black hole at its heart. D_BH=30km *34 搜寻黑洞 质量:M 半径:r rrg *35 在什么地方发现? 星系中心 双星系统 1 BIG BH per galaxy million-billion x mass of sun formation not fully understood millions of little BHs per galaxy 10 x mass of sun formed by collapse of a massive star *36 n质量范围：3-15 Msun n搜寻途径： q黑洞本身不可见，但其吸积周围的物质 q引力能转换成热能，温度升，高能辐射 q搜寻质量超过中子星质量上限的致密星 n致密天体 确定致密天体性质：X射线辐射、时变 确定致密天体质量：双星轨道运动 黑洞候选天体Cygnus X-1 恒星级黑洞 *37 X射线双星 气体落入黑洞的过 程中释放引力势能 ，加热气体，辐射 大量x射线 *38 *39 Do black holes really exist? *40 天鹅座(Cygnus) X-1:双星系统，黑洞大质量O型星 黑洞质量：7-13 Msun；黑洞吸积星风，产生X-rays *41 n强X射线源 nX射线光变时标1 ms 辐射天体尺度 108cm 中子星或黑洞 n光学观测 轨道周期5.6天，光谱 Doppler位移 视向速度曲线 质量函数 n光谱拟合 MOpt =17.8M, MBH =10.1M 黑洞 *42 Stellar-Mass black holes in binary star systems *43 n1001000 Msun nultraluminius X-ray sources 极亮X射线源 nChandra、XMM-Newton 中等质量黑洞 M74 *44 *45 大质量黑洞 105-109 Msun 形成： 两星系碰撞 中黑洞吸积 证据：周围恒星的快 速转动，高质量物体 存在 所有星系的核心都有 超大质量黑洞存在. LydenBell & Rees *46 *47 银河系中心 ： 人马座A* Sgr A* 尘埃，光学观 测困难；射电 、红外、X射 线 A HKL colour composite of the Galactic Centre region. *48 SgrA*观测 两种方法: q利用超大质量黑洞对背景星的引力透镜效应 q通过测量很靠近SgrA*的几颗恒星的加速度 *49 n银河恒星 自行，测 量恒星到 SgrA*的 距离和中 心质量 nS2绕