11第十一讲 黑洞.ppt

1、讲座11黑洞，于，华中师范大学天体物理研究所，黑洞概念介绍，事件视界，斯瓦希里规范，无限红移面，对于重力场中的静态观测者，空间坐标是固定的。上述公式反映了引力场中的时间膨胀效应，因此它有引力红移的概念。在，有一个奇点叫做无限红移面。斯旺西黑洞，斯旺西度量下的无限红移表面恰好是事件视界表面。这个半径叫做斯威士兰半径。在这个半径内，它被称为黑洞的内部，而在外部它被称为外部。克尔黑洞，彭罗斯过程，无毛定律，嘉德(1973)提出，稳定黑洞的外部场唯一地由黑洞的质量m，电荷q和旋转角动量j决定。也就是说，当一颗恒星坍缩成黑洞时，除了上述三个可测量的量之外，它已经失去了所有其他的信息。为了克服相对论量子力

2、学中的负能量问题，狄拉克曾提出真空不是空的观点。所谓的真空只是量子的最低能量状态。将克尔纽曼的度量代入上面的公式，在黑洞的表面上，和重叠，在黑洞的表面上，狄拉克真空的禁带宽度减少到零。在黑洞、禁区和真空的表面，负能态充满粒子，而正能态是空的。在黑洞的表面，能量介于虚线和实线之间的负能量粒子很可能会穿过禁区，变成正能量粒子，飞到一个遥远的地方。被称为斯塔诺宾斯基-安陆效应，它对应于受激辐射的自发辐射。它属于非热辐射，与温度无关。霍金辐射不断在空间中产生正负粒子的虚拟对。虚拟粒子对湮灭的过程非常短。在斯旺西黑洞附近，(1)自我毁灭，(2)两者都落入黑洞，(3)一个落入黑洞，另一个飞得很远。霍金辐射

3、是热辐射。黑洞动力学可以概括为四个定律。第零定律：平衡黑洞视觉界面上的所有点都有相同的表面重力。第一定律：平衡态黑洞的总质量和能量是守恒的，总动量、角动量和电荷也是守恒的。第二定律：黑洞表面积永远不会随时间减少的定律。一个孤立的黑洞可以保持其表面积不变，但实际的黑洞表面积随着黑洞捕捉物质和辐射而增加。第三定律：经过有限次数的运算后，不可能将黑洞的表面重力降为零。与热力学定律相比，热力学系统的状态通常可以用两个基本参数来表征：温度和熵。其他宏观量随着温度和熵的变化而变化。黑洞的动力学也由两个参数表征：黑洞的面积和黑洞的表面引力。它们可以进一步表示为m，q和j的函数，大质量黑洞的温度极低。温度为1

4、0-6K的太阳质量黑洞。假设在2.7K没有宇宙背景辐射，这样一个黑洞需要1066年才能在真空中蒸发。考虑到背景辐射，吸收效应大于蒸发，它在宇宙中增长。对于等于或大于太阳质量的黑洞，霍金辐射基本上可以忽略。一个质量只有1016克、温度高达1012克的小黑洞可以发出强烈的热辐射，这与宇宙的年龄相似。在宇宙形成之初，在时间和空间上有很大的密度波动，这可能会形成一个小的“初级黑洞”。我们今天可能会看到他们最后的爆炸。开尔文-亥姆霍兹机制、核聚变、吸积，对于19世纪的物理学家来说，引力能是天体能量唯一可接受的来源，但它不足以解释太阳。在21世纪，人们发现对于宇宙中最明亮的天体(如类星体和伽玛暴)来说，核

5、能远远不够。转向释放重力能量。爱丁顿极限，考虑稳定的球对称吸积，并假设吸积物质主要是氢，并已完全电离。吸积会导致辐射，而辐射会阻碍吸积(主要是通过对自由电子施加力在较大的光度下，向外的辐射压力将超过向内的引力，这将导致吸积过程的终止。如果一个源的所有光度都来自吸积，吸积源将在爱丁顿极限关闭。如果一个源的光度部分或全部来自其他能量机制，如核燃烧，源材料的外层将被爱丁顿极限的辐射压力吹走，源将是不稳定的。尚不清楚上述公式是否适用于黑洞吸积的情况，因为对于黑洞来说，它没有坚硬的表面，而只是代表一个物质可以进入但不能逃逸的区域。大部分吸积能量很可能被黑洞吸收，以增加黑洞的质量，而不是辐射出去。吸积辐射温度，如果辐射源用黑体谱辐射能量，我们可以定义一个黑体温度，然后定义一个热温度。也就是说，如果所有的引力势能都转化为热能，吸积物质的温度应该达到、因此，最亮的吸积中子星和黑洞双星系统可能出现为硬X射线源或射线源，而吸积白矮星应该出现为光源、紫外源或X射线源、罗氏波瓣，而观察吸积现象的主要场所之一是双星系统。在两个大质量恒星相互环绕的总引力势的作用下，一个测试粒子的轨道特性可以用罗氏波瓣来表示。两颗恒星在开普勒轨道上相互移动。为了简单起见，通常假设这些轨道是圆形轨道。爱德华洛希，根据开普勒定律，双星之间的间隔可以用基本可观测性和双星的周期来表示。练习，假设黑洞表面观测者观测