广义相对论的黑洞课件

现代天文学现代天文学 第十讲第十讲 黑洞黑洞北京大学天文系北京大学天文系吴鑫基吴鑫基现代天文学 第十讲 黑洞1一，黑洞概念的提出一，黑洞概念的提出 二，各种黑洞二，各种黑洞 三，寻找黑洞三，寻找黑洞 一，黑洞概念的提出21 1，第二宇宙速度，第二宇宙速度(逃逸速度逃逸速度)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；一，一，黑洞概念的提出黑洞概念的提出1，第二宇宙速度(逃逸速度)一，黑洞概念的提出3 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 2，黑洞的预言，黑洞的预言 1795年，拉普拉斯预言：“一个密度和2，黑洞的预言4 广义相对论广义相对论 G=8 G=8T T 张量张量3,3,广义相对论关于黑洞的概念广义相对论关于黑洞的概念弯曲时空物质的能量动量弯曲时空物质的能量动量物质告诉时空怎么弯物质告诉时空怎么弯曲；曲；时空告诉物质怎么运时空告诉物质怎么运动。动。广义相对论 G=8T 张量3,广义5比喻时空弯曲的例子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：牛顿：铅球的万有引力吸引了小球；爱因斯坦：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。比喻时空弯曲的例子原来平直，因中间6广义相对论的三大预言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；广义相对论的三大预言 爱因斯坦场方程，很复杂，7广义相对论的黑洞广义相对论的黑洞 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，朝某些角度发光就将沿弯曲空间返回恒星表面。这就是黑洞黑洞。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。广义相对论的黑洞 质量一定的恒星，其半径越小，对周围时8 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 R Rs s=2GM/c=2GM/c2 2 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。1,1,史瓦西黑洞（球形黑洞）史瓦西黑洞（球形黑洞）二，各种黑洞二，各种黑洞 最简单：不旋转，不带电,仅有质量参数；1,史瓦西黑洞（球形9视界视界：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。视界：史瓦西半径是10黑洞对外界光线的影响黑洞对外界光线的影响黑洞对外界光线的影响11飞船靠近黑洞表面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。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12 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 2，克尔旋转黑洞，克尔旋转黑洞 黑洞有自转，偏离2，克尔旋转黑洞13 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。不再是中心的奇点，而是一个平躺在赤道面上14 黑洞的质量没有上限。特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 3，特大质量黑洞，特大质量黑洞 黑洞的质量没有上限。特大质量的黑洞形3，特大质量黑洞15史蒂芬史蒂芬威廉威廉霍金霍金 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 4，霍金的量子黑洞，霍金的量子黑洞史蒂芬威廉霍金4，霍金的量子黑洞16 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。黑洞不黑黑洞不黑 黑洞因捕获负粒子而损失能量，相当于黑洞发射的辐射。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17黑洞蒸发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。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18微型黑洞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。黑洞的寿命与其质量的立方成正比。微型黑洞在宇宙的初始时刻或在超新星爆发时，有可能形成微型黑洞191 1、双星中黑洞的搜寻、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，寻找黑洞三，寻找黑洞1、双星中黑洞的搜寻三，寻找黑洞20 有很强X射线辐射，伴星是质量约2540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黑洞黑洞恒星级黑洞恒星级黑洞候选者候选者天鹅座天鹅座X X1 1示意图示意图 有很强X射线辐射，伴星是质量约2540个太阳恒星级黑洞21 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。西边的又叫SgrA*，有红外和X射线辐射。天文学家把SgrA*定义为银河系的中心,并认为它可能是一个黑洞。2 2，银河系中心的特大黑洞，银河系中心的特大黑洞 光学观测，银河系2，银河系中心的特大黑洞22 近红外观测：SgrA*和一颗年轻恒星组成双星系统，轨道周期15.56年。估计出SgrA*有4百万个太阳的质量。史瓦西半径为0.08天文单位。黑洞的角径为10微角秒。这是离我们最近、最强、角径最大的一个超大质量黑洞候选者。双星系统的确认双星系统的确认 近红外观测：SgrA*和双星系统的确认23 黑洞有一个5倍史瓦西半径大小的阴影区，对Sgr A*来说，阴影区约为45.4845.48微角秒微角秒。黑洞周围的辐射区应该与此相当。要判断SgrA*是不是黑洞，就要测出它的大小，越接近阴影区，越可能。沈志强用甚长基线干涉阵（VLBA）3.5毫米，获得SgrA*的观测结果，揭示出椭圆状视结构，其尺度仅比黑洞阴影大2.6倍。SgrA*SgrA*是否为大质量黑洞？是否为大质量黑洞？黑洞有一个5倍史瓦西半径大小的阴影区，SgrA*是否为大质24图上部是用VLBA在五个波长(0.7,1.35,2.0,3.6和6.0厘米)的准同时观测的SgrA*的图像，其尺度随波长的变化。图下部是一个点源因星际介质散射引起放大图象，更短波长观测将可能获得其真实结构。SgrA*SgrA*的的VLBAVLBA多波段观测多波段观测 图上部是用VLBA SgrA*的VLBA25 2002年，实现3.5毫米波段的VLBA观测;揭示椭圆状视结构，沿东西方向的固有大小在1个天文单位以内。只比黑洞的史瓦西半径的13倍，比黑洞阴影大2.6倍。比红外观测确定的大小要小1600倍。3.53.5毫米波段的毫米波段的VLBAVLBA的观测的观测 2002年，实现3.5毫米波段的VLBA观测;3.526