第九讲：黑洞

1、黑洞,黑洞,2004年6月29日消息，美国斯坦福大学的天文学研究小组在遥远的宇宙中发现了到目前为止堪称最庞大最古老的黑洞。 质量是太阳质量的100多亿倍，这意味着这个黑洞能够在自己的引力场中吸纳上千个太阳系，其质量也相当于银河系内所有恒星的质量之和。,这个宇宙巨人位于遥远的星系中央,它在大爆炸后十亿年内就形成了,它不断吞噬宇宙物质来壮大自己,黑洞的提出,牛顿万有引力的提出：苹果落地！ 想法：地球自转速度很快，人不会掉到星空中的原因是受到地球的引力，并且引力越大，离开地球就越困难。 由引力和离心力平衡关系可以得出：,第一宇宙速度 第二宇宙速度 第三宇宙速度,拉普拉斯关于黑洞的猜想,拉普拉斯：地球

2、质量变大速度v增大超过光速-30万公里/秒-那会是什么样呢？ 这样的星球就会变成黑洞。也即是R足够小，M足够大的星球就是理论上的黑洞。,爱因斯坦计算出黑洞的大小,真正解决这个问题的是希尔伯特爱因斯坦。 根据广义相对论，他算出黑洞的大小。,就是黑洞的半径,制造黑洞,理论预言：质量M足够大 星云收缩形成恒星,天鹰座星云,恒星塌缩的归宿： 小质量的-白矮星 质量中等-中子星 质量大于三个太阳的恒星-黑洞,什么是黑洞？,黑洞是巨大的致密天体，是恒星晚期演化阶段最终引力塌缩后的天体。,高密度的黑洞中隐匿着巨大的引力场，它的这种引力大到使任何东西包括光，都不能逃逸出去。 本身一定范围内的任何事态不被外界看

3、见。“黑”,黑洞的奇妙性质,黑洞的视界 天文学家把那个物质被黑洞吸入不能返回之处叫做黑洞的“视界”。 区域的半径叫史瓦西半径。 恒星质量塌缩到史瓦西半径以内，时空将完全封闭光球消失，黑洞形成。,黑洞的奇妙性质,银河系的引力将大犬星座的小星系撕成长长的恒星带。（图片来自：N.MARTIN和R.IBATA/斯特拉斯堡天文台）,引潮力 不是直接的引力，而是不同位置的引力不同而造成的引力差，类似于地球上的潮汐的产生一样。 引潮力的强度依赖于产生它的天体的质量和受力物体的位置。越近，引潮力就越大。 黑洞周围的引潮力很大。,黑洞的时间特性,“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓

4、“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。 根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。,等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。 说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的。 那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也

5、是由恒星演化而来的。,当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。,质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。,根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。,而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西

6、半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系“黑洞”诞生了。,与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，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。,黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是弯曲的空间。 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。,弯曲的空间,在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。

7、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！,“黑洞”无疑是目前最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。 既然黑（理论预言）那么如何探测

8、呢？,黑洞理论物理学家-霍金,量子效应：黑洞不黑。 宏观束缚-物质波 微观解放-个性分布广泛 单个粒子的逃逸,黑洞的年龄,1974年，霍金证明黑洞具有与其温度相对应的热辐射，称为黑洞的发射。黑洞的质量越大，温度越低，发射过程就越慢，反之亦然。 一吨重的黑洞-瓦解时间为10的负10次方秒 100万吨的黑洞-只能维持10年 类似太阳大的黑洞-存活10的66次方年,找寻黑洞是当代天文学的一个重要课题。银河系内的恒星级黑洞候选者有天鹅座X-1等。,天文学家们还发现大星系的中心通常会隐匿着一个百万太阳质量以上的巨型黑洞。如在超巨星系M87的中心就很可能隐匿着质量达30亿个太阳的黑洞。,而按照大爆炸学说，

9、在宇宙形成早期可能会产生一些质量为10的15次方克的小黑洞。,双星系统作为候选体： 观测为X射线单星源 运动旋转方式找到伴星 伴星质量大到三个太阳,活动星系核（AGN） 亮度高 体积小,科学家观测到两个正在相互吞并的黑洞,北京时间5月20日消息，据国外媒体报道，美国的科学家们近日表示，他们最近利用望远镜成功地观测到了两个超大质量的黑洞。,更为独特的是，这两个黑洞正在相互吞并，预计整个过程将耗时1000万到1亿年的时间。,在距离地球约3亿光年远的两个碰撞星系中，科学家们已经在其中心处准确定位出了两个超大质量的黑洞。,位于美国夏威夷的Keck II望远镜拍摄的红外图象表明，这个并合星系中心的两个黑

10、洞被称为NGC 6240，外围环绕着一圈星星和云状“恒星育婴室”。,科学家们曾经运用种种不同波长的光对NGC 6240进行过详尽的观察研究。在哈勃望远镜拍摄到的图象中，可以看见可见光中的碰撞星系的外部，以及由单颗星星、气体和尘埃组成的长长的潮汐尾。 美国航天局(NASA)“钱德拉”X射线天文观测卫星进行的X射线研究表明，位于这两个星系中心的两个超大质量黑洞的确存在 美国长基线干涉阵也在该星系中心区域发现了两个无线电源。,加利福尼亚大学研究小组组长克莱尔-麦克斯说：“如今，我们可以通过红外图像真实地看到该黑洞外围所有的热尘埃、星星以及X射线和无线电喷射。黑洞的合并离不开它们所在星系的最初合并，如

11、果在星系中含有少量气体，则星系合并的可能性将取决于星系的结构。但是如果含有大量气体的两个星系发生碰撞，则随后通常是超巨黑洞的合并。当两个星系开始碰撞时，气体会失去能量并进入星系核心内部，结果两星系核心会变得更密实和更稳定。当两星系核心合并时，位于两星系核心内部的超巨黑洞也会发生合并，如果两星系核心破裂，就不会发生合并了。 ”,科学家们认为，星系合并是星系形成的主要方式之一。就象熔岩灯中受热熔化的蜡一样，两个小星系会合并起来形成一个较大的星系，或者说一小团气体和星星在某个混乱的星系碰撞中会逐渐发展形成一个小型星系。 我们的银河系有可能在几十亿年后与其邻近的仙女座碰撞，并合并成为一个更大的椭圆形的

12、星系。一旦这种情况发生，就有可能形成类似NGC 6420的黑洞合并。,在星系合并时，星系中心的巨型黑洞也开始合并。最近的研究表明，超大质量黑洞有助于我们确定其主星系的许多特性。,科学家发现除大型小型外的新中型黑洞,迄今为止天文学家发现的黑洞只有两类。 一类是大型黑洞，它们坐落在一个星系的中心，质量是太阳的几百万倍甚至几十亿倍。,另一类是小型黑洞，它们坐落在一个恒星附近，质量不过是太阳的几倍。 唯独没有发现质量在太阳的几十倍、几百倍和几千倍的中型黑洞。,正如美国哈佛-斯密森天文物理研究中心的科学家菲利浦卡瑞特所说：“这里存在一个很大的缺口。” 科学家现在已经发现宇宙中几十个可能存在中型黑洞的地方

13、，但还没有肯定这里一定有黑洞。 根据美国空间杂志网站的报道，正是那位菲利浦卡瑞特先生，认为他与同事一起发现了中型黑洞。,原来他的研究小组确定了从一个坐落在距离地球1000万光年的一片星云中心的X射线源发出的X射线强度，发现强度是我们太阳发出的X射线的几百万倍。而科学家都承认，当黑洞吞噬周围的恒星时才发射出X射线。,黑洞正在吞噬恒星,中型黑洞应该是在宇宙早期形成的，有的科学家还猜测，大型黑洞是在宇宙发展的过程中，通过中性黑洞的相互结合而形成的，因此，研究中型黑洞对研究宇宙的演变有很大意义。,黑洞究竟是什么？,1916年广义相对论出现不久，卡尔.史瓦西（Karl Schwarzchild）就求出了

14、用以描述时空的爱因斯坦方程的一个十分有用的解。,该解作为时空的一种可能的形状，可以用来描述一个球对称的、不带电、无自旋的物体（可能也可用于近似描述如地球和太阳等缓慢自旋的物体）之外的引力场。 其原理就和当你想研究地表之外的牛顿引力而将地球视为质点一样。,奇点,然而当球坐标很小的时候，这个解开始变得奇怪起来。在r=0的中心处有一个“奇点”，那里的时空弯曲是无限的；围绕该点的区域内，球坐标的负方向实际成为时间（而非空间）的方向。,任何处于这个范围内的事物，包括光，都会为潮汐力扯碎并被强迫坠向奇点。这个区域被一个史瓦西坐标消失的面与宇宙的其他部分分离开来。,当时的人们并未为此担心，因为所有已知的物体

15、的密度都达不到使这个内部区域扩大到物体之外的程度，即对于所有已知情况，史瓦西解的这个奇怪部分都不适用。,阿瑟.斯坦雷.爱丁顿（Arthur Stanley Eddington）曾考虑过一颗死亡的恒星坍塌后可能达到这个密度，但从审美的角度出发不太愉快地将其抛弃了，并人为应该有新的理论补充进来。,1939年欧文海默（Oppenheimer）和施内德（Snyder）最终严肃地提出比太阳质量稍大几倍的恒星在其声明的末期可能会坍缩到这种状态。,一旦一颗恒星的坍缩超过史瓦西坐标消失的球面（称为不带电、无自旋物体史瓦西半径或“视界”）它就不可避免地继续坍缩下去。同你无法停住时间的车轮一样，它将一直坍缩至奇点

16、。 没有任何进入那个区域的东西可以幸免。视界是一个有去无回的转折点。,1971年约翰.阿奇贝尔德.威勒（John Archibald Wheeler）命名这样的事物为“黑洞”，因为光无法从中逃逸。,但我们这里所讲述的黑洞的性质纯属理论，它们基于广义相对论一个目前尚被证明为正确的理论。,基于许多证据，天文学家有许多他们认为可能是黑洞的候选天体（其证据是：它们的巨大质量可以从其对其他物体的相互作用中得到；并且有时它们会发出X射线，这被认为是正在坠入其中的物质发出的）。,宇宙在形成之初为什么没有坍缩成黑洞？,有些人很难理解为什么大爆炸不是一个黑洞。 很难理解的原因： 物质它在其最初的几分之一秒内的密

17、度比所有已知恒星的密度都高得多 如此高密度的物质理应强烈地扭曲时空，当密度足够大时，一定会出现一个相对于其内部质量而言尺寸小于史瓦西半径(Schwarzschild Radius)的区域。 大爆炸设法避免了限于自己制造的黑洞之中并且令人不可思议的是奇点附近的空间实际上并未紧紧地卷曲反而展平了。 这是怎么回事？,答案：,简单的回答是这样的： 因为大爆炸在初始时刻膨胀得很快而此后膨胀速率才逐渐降低，所以它避免了变成黑洞。 空间可以被展平而时间不会。卷曲可以来自于时空尺度的时间部分。该尺度确定了宇宙膨胀的减速度。 时空卷曲的总和与物质的密度有关，但膨胀和任何空间的卷曲对其都有影响。 史瓦西关于引力方

18、程的解是静态的，而且是一个静态球体坍缩成黑洞前的极限。史瓦西极限不适用于快速膨胀的物质。,黑洞模型与大爆炸模型的相同点,标准的大爆炸模型是佛莱德曼-罗勃特森-沃尔克(FRW)(Friedmann-Robertson-Walker)对于广义相对论引力场方程的解系。这些解可以用来描述开放或闭合的宇宙。 所有的FRW宇宙都在时间的原点处有一个奇点以代表大爆炸。 黑洞也有奇点。并且一个没有光可以从中逃逸的封闭宇宙的定义与一个黑洞的定义是完全相同的。,黑洞模型与大爆炸模型的区别？,第一个显著的区别是FRW模型中的奇点位于该宇宙中所有事件的过去，而黑洞的奇点存在于未来。 因此大爆炸更象一个作为黑洞在时间上反转的白洞。 依据经典的广义相对论，与黑洞不可被消灭的（时间反转的）原因一样，白洞不能存在。,黑洞与白洞的区别,一个标准的FRW黑洞模型也和白洞不同。白洞有一个作为黑洞反转的白洞的视界。任何东西都不能进入白洞的视界，同样也不能逃离黑洞的视界