12-黑洞.ppt

1,恒星演化末期将出现三类天体：白矮星、中子星和黑洞。 白矮星：恒星在核能耗尽后，如它的质量小于1.2个太阳质量就将成为白矮星。,2,中子星：恒星在核能耗尽之后，如果它的质量在1.23.2太阳质量之间就会成为中子星。,3,恒星在核能耗尽后，如质量超过3.2太阳质量，则平衡状态不再存在，星体将无限制地收缩，星体的半径愈来愈小，密度愈来愈大，终于达到临界点，这时它的引力之大足以使一切核子，包括光子，都不能外逸，就象一个漆黑的无底洞，因而称为“黑洞”。,4,奇妙的黑洞,1、什么是黑洞 1795年，著名的数学家拉普拉斯曾指出：有一个发光体，它的密度与地球密度一样，其直径比太阳的直径大250倍，可是由于被吸引的缘故，无法使其光线达到地球。,5,1799年，拉普拉斯提出不可见星的猜测： 可算： 太阳M21033克, Rsh3km, 1016克/cm3,6,黑洞：黑洞是时空中这样的一个区域，任何物质一旦进入该区域，便永远不能出来。,黑洞是一种看不见的异常天体；60年代以后，成为天文上最具诱惑力的搜索对象。与一切可见天体相比，黑洞正是最强的引力场源，能使邻近处时空弯曲得相当厉害，以致把任何东西都裹卷其内，甚至光线也不能幸免。,右图形象地表示了这一点：一旋转黑洞的时空结构宛若一个大漏斗，把万物全部吞下。,7,与别的天体相比，黑洞是显得太特殊,黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。,8,在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。 更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！,9,黑洞并不是实实在在的星球，而是一个几乎空空如也的天区。黑洞又是宇宙中物质密度最高的地方，地球如果变成黑洞，只有一颗黄豆那么大。黑洞中的物质不是平均分布在这个天区的，而是集中在天区的中心。这些物质具有极强的引力，任何物体只能在这个中心外围游弋。一旦不慎越过边界，就会被强大的引力拽向中心，最终化为粉末，落到黑洞中心。因此，黑洞是一个名副其实的太空魔王。 黑洞内部所以有这么强大的引力，这和它的形成有关。一颗质量超过太阳20倍以上的恒星，经过超新星爆发后，剩余部分的质量一般仍要超过太阳质量的2倍以上。这部分物质自身引力非常强大，从而发生急剧坍缩的压力，但在如此强大的引力面前，无异于螳臂挡车。随着坍缩加剧，分子、原子乃至原子核都会被挤破，最终形成极高密度的引力中心。,10,黑洞既然看不见、摸不着，天文学家又是怎样发现和观察它的呢？这主要是通过黑洞区强大的X射线源进行探索的。黑洞本身虽然不能发出任何光线，但它对于周围物体、天体的巨大引力依然存在。当周围物质被它强大的引力所吸引而逐渐向黑洞坠落时，就会发射出强大的X射线，形成太空中的X射线源。通过对X射线源的搜索观测，人们可找到黑洞的踪迹。,11,宇宙“黑洞”的真面目,天文学家通过长期观测发现，在宇宙中存在有一些引力非常大却又看不到任何天体的区域，这种奇异天体黑洞的主要特征是： 1.这个区域有很强的磁场和引力，不断吞噬大量的星际物质。一些物质在它周围运行，轨迹会发生变化，形成圆形的气体尘埃环； 2.它有很大的能量，可以发出极强的各类射电辐射； 3.由于它极大的引力作用，光线在它附近也会发生弯曲变化。的确，通过观测到的大量间接征兆可以证实它的存在，却无论如何没能直接看到它，于是一些天文学家想象的认为它是一种恒星塌缩后质量、密度很大的暗天体，美国物理学家惠勒给它取了 一个有趣的名字“黑洞”。,12,黑洞与白洞,人们对黑洞的观察已花费了不少心血，而根据广义相对论，又有人提出了一种“白洞”理论。 人们发现，类星体的个头不大，但亮度极高，于是猜测其中心可能有一个白洞。 黑洞的一个特点是，它在自己的周围形成了一个封闭的边界。这个边界是只许进不许出。白洞也有一个边界，它吸引外界物质和辐射只能到这个边界，并不能通过边界而进入白洞，可是白洞内物质和辐射不受边界限制。因此，白洞像个源泉，不断地像外部喷射物质。正因为它“只进不出”的特点，使它成为一个可见的天体。,13,白洞与黑洞是相通的，它们之间有一条通道，叫做“蛀洞”。正是这条通道，把黑洞吸集的物质，运到白洞喷发出去。美国天文学家认为，蛀洞这一通道可能使我们与其它的宇宙相连。 那么，白洞是怎样形成的呢？著名的英国天体物理学家霍金认为，白洞有“自发蒸发”现象，它会使白洞质量减小。小白洞在很短的时间内就蒸发干净，大白洞则需要时间较长才可蒸发干净。蒸发过程中，质量不断减少，且随质量的减少加速蒸发。最后发生一种反收缩方式的猛烈爆发，这与黑洞很类似。 总的来说，白洞和蛀洞还只是广义相对论的一个数学结果，还未得到证实，而且就理论自身来看，也还有许多问题要解决。,14,牛顿黑洞,（1）第一宇宙速度：,（2）第二宇宙速度：,（3）牛顿黑洞：,如果把光子看成是质量为m=h/c2的质点，当R再小一点时，连光子也无法脱离这一天体。,相反地，无论质点或光子，凡是射向这一天体的，都会落到天体上，这样，责一天体就成为一个黑体。,15,因为它只吸收而不辐射（这正是黑的定义），好象天空出现了一个半径为R的洞，什么东西都可以掉进去，但什么东西也出不来，所以这类天体被称为黑洞。,由黑洞所满足的条件，可以确定它的半径和质量的关系,rg称为引力半径,在广义相对论中，史瓦西度规可以确定光线在引力场中的偏转角满足关系式,史瓦西黑洞,16,当天体半径R=2GM/c2=rg时， = ,即射出去的光线将返回天体，这样的天体发出的任何辐射都无法越出半径为rg的球面。,光线的偏转是由于天体附近的引力场很强造成的,由于空间是弯曲的，由天体表面发出的光线同样是弯曲的，由偏转角满足的关系式可以看出，天体质量M越大，半径越小，光线的偏转角越大。,17,视界,在外部观察者看来，一个坍缩天体，当缩至半径R=rg时，这一球面是给观察者的最后界面，从此，这颗恒星就在观察者的视野中消失了，球面R=rg叫做视界。,天体在缩进球面以后，按照广义相对论，它会无限制地坍缩下去，而黑洞的大小却不再变了，它的表面就是视界R=rg。,18,无限红移面,在相对论的恒星引力场中，接收器接收到的频率v2，恒星表面发出的光频率为v1,远处观察者观测到光谱线的引力红移。,在恒星坍缩过程中，随着R逐渐减小，恒星逐渐变红。当R=rg时，此时远处观察者发现恒星的光谱线已经向红移端移动到无限远处。故称球面R=rg为无限红移面，史瓦西黑洞的无限红移面和视界是同一个面，常称史瓦西面。,19,钱德拉射线太空观测站于1999年7月20日发射到太空，进入预定轨道后，该观测站为人类提供了许多关于黑洞、中子星，射线爆发和超新星等高能天体现象的最新研究材料。,20,物理上黑洞的描述只有三个物理量： 质量 角动量 电荷 可称“三毛” 按此物理量分类： 1.克尔纽曼黑洞，三者都有 2.克尔黑洞，无电荷 3.莱斯纳黑洞，无角动量 4.西瓦兹黑洞，只有质量,21,以克尔黑洞为例： 克尔黑洞有一个静界和一个外视界，静界是一个旋转椭圆面，外视界是一个球面，包含在静界和外视界之间的 空间称为能层。,克尔黑洞静界和视界,物体进入能层尚还可以 从中再返回到黑洞外部 的空间，一旦物体进入 了外视界，便永远不能 再逃出来了。,22,黑洞四定律,黑洞是一个动力学系统，能够施力和受力，能够吸收和提供能量，即会随时间演化。 视界面的面积：R2shM2，表面引力gGM/R2sh1/M，是前述三个物理量的函数。 第零定律：平衡态黑洞视界上的所有点都有 同样的表面引力，即g是个常数。 （对应温度T ）。,23,第一定律：黑洞的演化过程中，质能守恒。 第二定律：黑洞的表面积是随时间增大 （对应熵S）。 第三定律：不能通过有限的物理过程使黑洞的 表面引力g变成零。,24,2、黑洞的性质,黑洞的无毛定理 从黑洞那里得不到任何信息，包括光讯号。 黑洞长着三根毛 黑洞有质量M、 自转角动量J、 带有电荷Q。,黑洞有三根“毛”,25,英国学者潘罗斯设想了一个大胆的试验，即让一个装置先进入黑洞的能层，再从能层中出来，于是这个装置就可以从能层中携带出能量。好象用一个瓢伸进 能层中把能量舀出来一 样。如果潘氏的的设想 得以实现，这也许是世 界上解决能源危机的绝 妙方法之一。,从能层中获取能量,26,(2) 黑洞具有负的热容量或比热,如果高温物体A、物体低温B的热容量皆为正，则A由于放热，温度下降；B由于吸热而温度上升。最后A、B之间建立起热平衡。 如果设A、B的热容量皆为负，当热量从A 传到B 时，A 的温度反而更加高，B 吸热后温度会更低，二者温差愈来愈悬殊，永远不可能建立热平衡。,27,黑洞正是这种具有负热容量的怪物。如果一个黑洞和一个正热容量的环境进行热交换，则黑洞一面向周围提供热量，使环境温度升高，一面也使自己的温度同时升高，它温暖了别人，也温暖了自己！如果真有这样一种负热容量的材料，若用它来做一个“热水袋”温手，那么用不着盛热水，这个袋子倒会越用越暖和。,28,(3) 时空互换：在黑洞里面，时间和空间变得面目全非，它们相互交换，时间摇身一变成了空间，空间也乔装改扮成了时间 。 (4)黑洞的蒸发: 运用量子理论，英国物理学家史蒂芬霍金提出了黑洞的量子论，指出黑洞里的粒子不是绝对不能逃出来的，它可以通过一种量子隧道过程蒸发出来，这称为黑洞的蒸发。,29,从宇宙大爆炸的奇点到黑洞辐射机制，霍金对量子宇宙论的发展作出了杰出的贡献。他的目标是解决从牛顿以来一直困扰人类的“第一推力”问题。他的宇宙模型是一个封闭的无边界的有限的四维时空不需要上帝的第一推力，宇宙的演化完全取决于物理定律。 耐人寻味的是，霍金的宇宙论事实上使上帝没有存身之处，但梵蒂冈教廷仍对他表示了敬意。在承认了对伽利略审判的错误之后，教廷科学院又选举霍金为该院院士。世俗的偏见和神学的权威，都不能阻挡科学的透射力。,30,霍金坚信，关于宇宙的起源和命运的基本思想可以不用数学来陈述，而且没有受过专业训练的人也能理解。他曾在通俗演讲里，生动地向听众解释“利用光速，从黑洞进去，从白洞到宇宙另一区域去作时空旅行”的设计，是有趣的科学幻想，而现实却是难以做到的简明道理。经过数年的辛勤写作和修改，于1988年4月正式出版宇宙论科普惊世著作时间简史：从大爆炸到黑洞。书中引导读者遨游外层空间奇异领域，对遥远星系、黑洞、夸克、大统一理论、“带味”粒子和“自旋”的粒子、反物质、“时间箭头”等进行探索。时间简史，至1995年10月，已用33种文字发行2500万册，如今在西方，自称受过教育的人若没有读过这本书，会被人看不起。,31,1.原子尺度，10-8cm，质量像座大山，“微量洞” 2.尺度30公里，质量为10M，恒星级黑洞 3.尺度3光时，质量为109M，星系级巨型黑洞 4.可观测的宇宙，尺度1010光年，质量1022 M，宇宙大黑洞,现代天体物理学认为，按质量大小可有四种情况：,32,3、怎样探测黑洞,(1) 引力效应：当黑洞在宇宙中行走时，会产生很强的引力效应。当星星、黑洞与观察者处在一条直线上时，由于星S发出的光在黑洞B附近弯曲，因此我们可以观察到两颗相同的星S的虚像，于是可以 推测有一个黑洞B 从中经过，尽管我 们并没有看见B。,表示星光在黑洞附近的弯曲,33,黑洞经常是以双星结构形式存在的。如果有一个双星，其中一个可见，另一个不可见，则看不见的那颗很有可能是黑洞。由于双星总是绕其质心转动的，只要测出可见的那颗星的,双星B-S绕质心C旋转,旋转周期，就可知道双星的周期。双星旋转时，要辐射引力波，因而其转动动能将损失，随之周期亦会变短，我们从对周期的测量中就能推算出另一颗看不见的星的质量。,34,(2) 辐射效应：黑洞具有极强的引力场，能将周围的物质，不断吸积到它的视界内部。这些物质在向黑洞加速运动的过程中相互碰撞，产生高温高压。因此，它们实际上都已电离成等离子态。这种等离子态的带电粒子在高速飞向黑洞时，不断地辐射各类电磁波或射线，通常是X射线。,所以，我们虽不能直接观察到黑洞，但可以观察或接收到黑洞附近发射出来的各种X射线，通过这些X射线，可间接证实黑洞的存在。,35,(3)黑洞的密度效应：由于黑洞中存在着强引力场作用，故在黑洞周围往往会出现大密度的恒星分布。于是天文观察会发现此处亮度较集中，这就是所谓黑洞的密度效应。 综上所述，黑洞的三根毛，特别是质量M这个重要信息，由于它可以借助引力形式表现出来，从而引起了一系列效应，我们由这些效应便能观察、分析和寻找宇宙中的黑洞。,36,4、黑洞是怎样形成的,恒星演化：引力坍缩引力势能转化为动能，产生高温高压核反应产生持续的高温、高压，与引力抗衡，形成稳定的星球体核燃料烧尽引力坍缩。 在交替过程中，恒星内部的元素逐渐由轻元素转变为重元素H He C S Fe 。同时，恒星内部的密度愈来愈大，恒星内部半径愈来愈小。 重元素Fe外层有许多电子，在高温高压下，这些电子将全部电离为自由电子。因此，当核燃料烧尽，都成为铁元素时，恒星实际上可以看成是由自由电子致密气体组成的。这些自由电子（费米子）之间存在着一种排斥力，这种排斥力是一种特有的量子现象，我们称这种排斥力为电子的简并压强。,37,经过计算，钱德拉塞卡证明： 当星球质量M 1.2M太阳 时，电子的简压强可与自引力抗衡而形成稳定的星球，能避免进一步的坍缩。这种星球在天文学上称为白矮星，白矮星的密度大约为水的五百万倍，这就是说。钱德拉塞卡的理论在天文观察上得到证实，宇宙中存在着许多白矮星。 当星球的质量1.2M太阳 M 3.2M太阳时，电子的简并压强不足以与自引力抗衡，星球还会继续坍缩，密度会更大，其产生的高温高压可以将电子全部压入原子核内。电子进入原子核后，会同质子结合生中子。中子化以后，整个星球便由中子组成，中子也是费米子，它也具有简并压强，而且比电子的简并压强要大得多。经过计算得知，当星球质量为1.2M太阳 M 3.2M太阳范围内时，中子简并压强能与自引力抗衡，从而形成一个新的、稳定的中子星。中子星的中心核密度可达水密度的两千亿倍。,38,当星体的质量M 3.2M太阳时，有人说，中子星将被压成更小的碎片夸克，似乎会出现夸克星。但是夸克有一个更古怪的禁条夸克禁闭，简单地说，要想把中子里面的夸克分开是不可能的，或者说需要无穷大的力！也许夸克打破了中子，但却被禁闭在整个星体之中，好象是装在容器中的夸克汤，人们形象地称之为夸克星。 另一个结论是，当M 3.2M太阳时，再也没有任何物理机制或能量来抵抗自引力，星体将不可阻挡地坍缩下去，直至形成黑洞。英国剑桥大学著名科学家霍金在理论上证明了宇宙中存在黑洞是可能的。,39,科学家们普遍认为，天文观察中的超新星大爆发是产生黑洞的重要途径之一。超新星在古代中国被称为客星，这种星是一种在星空中突然出现，经过一段时间又突然消失的，且用肉眼可以观察到的新星。由于它来去无踪，故称客星，象是远方来客，住一段时间，又回远方去了。这些客星出现的时间不等，长达半年以上者，则称为超新星。据天文观察统计，在宇宙中每个星系大约数百年出现一个超新星。按照此数据，宇宙之中可能有108 个黑洞。 超新星大爆发时，其中心部分由于受到极高的压力而产生极高的温度，当质量M满足条件时，就会在自引力作用下坍缩为黑洞。 除此之外，由许多星系组成的星系团在引力作用下也会产生坍缩，许多星团的物质向其中心坍缩形成巨大黑洞。,40,5、宇宙果真有黑洞吗？,在宇宙星空中，科学家们首先把双星作为黑洞的候选者，并认为双星中，有一颗看不见的星是黑洞。这样的双星有： （1） 天鹅X-1：1974发现它有X射线发射出来。 （2） LMC X-3：1983年发现，质量为10M 。 （3） SS433：1980年在银河系内发现。 另外，在星团的星系核中，科学家们发现有一部分光度极大的密度集亮核，其中心可能是一个黑洞，称为M87，它的质量大约是5109 M 。,41,科学家们推测，类星体中存在有巨大的黑洞。类星体是一种离我们最远、红移量极大的星体。近几年，人们开始用卫星去探测黑洞； 1983年11月，TEM