chap天文学与天体物理学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,6.1 天文学的起源与发展,6.2 太阳系,6.3 恒星世界,自然科学概论,Chap. 6 天文学,6.4 黑洞,6.5 宇宙的起源与发展,1,1. 天文学与人类文明社会的兴起,可以确信，人类在有文字记载，由于农牧业和实际生活的需要，人们就注意观察某些显着天象了，而文字产生之后，天文学这门古老的科学就萌芽并进而诞生了。,自然科学概论,6.1 天文学的起源与发展,6.1.1,古 代 天 文 学,2,自然科学概论,（1）古埃及的天文学,大体从公元前27前22世纪，埃及人不仅认识了北极星和围绕北极星旋转而永不落入地平线的拱极星，还熟悉了白羊、猎户、天蝎等星座，并根据星座的出没来确定历法，最著名的例子是关于全天最亮星、大犬座天狼星的出没。,3,自然科学概论,（2）古印度人的时空观,古印度人不停顿地观察太阳的运动，以太阳的视运动为依据，把一年定为360天，又以月亮的圆缺变化为依据，把一个月定为30天，以此编制历法。实际上，月亮运行一周不足30天，所以有的月份实际上不足30天，印度人称为消失一个星期，大约一年要消失5个日期，但习惯上仍然称一年为360天。将一年中分为春、热、雨、秋、寒、冬六个季节，还有一种分法是将一年分为冬、夏、雨三季。对于空间，古印度人有奇异的看法，他们认为在人类居住的世界之上，还有其它空间，这种时空观是壮大的，但却不现实。,4,自然科学概论,(3)发明星座的迦勒底人,世界古代文明的另一个摇篮就是幼发拉底河和底格拉斯河流域。远在公元前3000年前，迦勒底人就从东部山岳地带来到两河流域，并在那里建立了国家。,长期的星象观察，使迦勒底人对天体运动有丰富多彩的发现，知道“日食每18年重复出现一次”，对于月亮和行星，迦勒底人也有很多正确的发现，但是对人类最重要的贡献还是创造了星座的划分。,5,自然科学概论,（4）古希腊的天文学,欧洲人称古代希腊文化为“古典文化”。,泰勒斯(Thales of Miletus)（前640前560年）是第一个希腊著名自然哲学家，到美索不达米亚学到了天文学。,数学家毕达哥拉斯(Pythagoras)（公元前560前490年）。是人类科技史上第一个主张“太阳、月亮、行星遵循着和恒星不同的路径运行”的人。,6,自然科学概论,另一位伟大的学者德谟克利特（公元前460前370前）提出了原子学说，认为万物都是由原子组成的，原子是不可分割的最小微粒，太阳、月亮、地球以及一切天体，都是由于原子涡动而产生的。这是朴素的天体演化的思想。他还推测出太阳远比地球庞大，月亮本身并不发光，靠反射的太阳才显得明亮，银河是众多恒星集合而成的。,7,德谟克利特和毕达哥拉斯,自然科学概论,8,自然科学概论,公元前24世纪的帝尧时代 “观象授时” .,公元16世纪前 天象观察、仪器制作和编订历法 。,在我国河南安阳出土的殷墟甲骨文中，已有丰富的天文象现的记载。这表明远在公元前14世纪时，我们祖先的天文学已很发达了。,我国古代在创制天文仪器方面，也作出了杰出的贡献。,世界天文史学界公认，我国对哈雷彗星观测记录久远、详尽，无哪个国家可比 。,我国古代观测天象的台址名称很多，如灵台、瞻星台、司天台、观星台和观象台等。现今保存最完好的就是河南登封观星台和北京古观象台.,2、中国古代天文学的辉煌成就,9,甲骨文图片、长沙彗星图,自然科学概论,10,登封观星台和漏刻,自然科学概论,11,圭(gui)表、浑仪、天仪（天体仪）、日晷、,12,水运仪象台,自然科学概论,13,3.中国古代天文人物,落下闳,（公元前140前87年）中国西汉时期天文学家，以历算和天文学的杰出成就著称于世，为我国最早的历算学家。,张衡,(公元78139年)，我国东汉时期伟大的科学家、文学家、发明家和政治家，在世界科学文化史上树起了一座巍巍丰碑。 （浑天仪的发明人，公元117年）,郭守敬,（12311316），中国古代杰出的八大科学家一。 （授时历。公元1280年3月 ）,自然科学概论,14,祖冲之,商朝天文学家 。33岁时创制了大明历,沈括是北宋时期一位多才多艺的科学家。,解释月亮是因为受太阳光照射发光而产生圆缺变化 。,徐光启（15621633）是我国明末著名的科学家 。编译成了崇祯历书 。,李善兰（18111882年），清代天文学家、数学家 。著作汇编成则古昔斋算学一书 。,自然科学概论,15,落下闳、张衡、郭守敬、祖冲之,自然科学概论,16,6.1.2 中世纪的天文学,1. 哥白尼的日心学说 。,日心,学说,的发展到17世纪达到了高峰 。* 近代天文学奠基人哥白尼与天体运行论,自然科学概论,17,2 . 近代力学宇宙体系的确立,哥白尼天体运行论发表近150年之后，于1687年出版了牛顿具有历史性的、阐述万有引力理论的巨著自然哲学的数学原理。,150年中奇迹的相继发生,首先是丹麦天文学家第谷布拉赫所做的非常精密的天文观测,第二个奇迹是德国天文学家开普勒，于1609年提出了行星运动的第一、第二定律，10年后又提出了行星运动的第三定律。,第三个奇迹是意大利物理学家伽利略于1609年发明天文望远镜，从而揭开了天文观测的新纪元。,自然科学概论,18,“哥伦布发现了新大陆，而伽利略发现了新宇宙”。,开普勒指出，行星与太阳之间存在着相互的作用力，其作用力的大小与二者之间的距离长短成反比。,伽利略在力学上的一项发现叫做惯性定律 。行星系一旦能够运动，就无需外力来维持，就可以持续地永恒运动不息了。,伽利略又从另外两方面大大推进了哥白尼学说的发展，其中之一就是创立了望远镜天文学。,苹果落地现象使牛顿考虑到地心引力是否可以达到月球，使月球在轨道上运行 。,自然科学概论,19,牛顿宇宙观,宇宙是永恒的、稳定的,问题：物质引力宇宙坍缩,可能的解决途径：,(1) 宇宙在空间和质量上是无限大的；,(2) 宇宙在膨胀；,(3) 宇宙有起点和终点。,(2)、(3)点违反宇宙永恒与稳定的性质，于是牛顿认为宇宙应该是无限的。,绝对空间，就其本性而论与任何外界情况无关，始终保持相似和不变。,Isaac Newton,20,3. 18、19世纪的天文学,（1）18世纪经典天文学的蓬勃发展 。,所谓经典天文学是指天体测量学和天体力学 。,国立天文台的设立 。法国于1671年设立了巴黎天文台，英国于1675年设立了格林威治皇家天文台。后来俄国的普尔科沃天文台、美国的华盛顿海军天文台也相继建成。,在航海天文学上发挥最大作用的是英国格林威治天文台,.,自然科学概论,21,(2) 天体力学的发展与代表人物的贡献,欧拉（17071783）他第一个完整地创立了月球运动的理论。,克勒罗（17131765） 经典著作地球外形的理论.,达郎贝尔（17171783）法国数学家。发表关于月球运行理论和行星运行理论的论文 。,拉格郎日（17361813）意大利数学家 。创立了大行星运动的理论。,拉普拉斯（17491827）是法国著名数学家和天文学家。其著名杰作天体力学集各家之大成 。还独立提出了太阳系的星云起源理论 。,自然科学概论,22,（3）19世纪对太阳系的认识,19世纪中叶 ，形成了一个完整的科学体系，人们称之为“新天文学”的天体物理学正式诞生。,太阳物理学 天体物理学的最初成就就表现在太阳物理上。此时人们第一次可以分析天体的光，并由此获得很多信息，首先是它的化学成分。,恒星物理学 19世纪恒星测量学已经发展得相当完善，可以很精确地测定出恒星的方位 。,星云物理学 星空当中各式各样的云雾状天体，统称为星云。星云可分为河内星云和河外星云两大类,自然科学概论,23,1917年Einstein将广义相对论引力场方程应用于宇宙的结构，,其中为宇宙学常数，,T,mn,为宇宙介质的能量动量张量。,在假设宇宙是无限大的、均匀的前提下，Einstein发现方程的解是不稳定的，表明宇宙在膨胀或者收缩。,Einstein认为宇宙应该是永恒的、稳定的。,为求引力场方程的均匀的和各向同性的解， Einstein加入一个起斥力作用“宇宙学常数”(cosmological constant) ，,得到一个静态宇宙模型（有限无边，没有中心）。,6.1.3 现代天文学和宇宙论,1. 广义相对论,24,2. Friedman膨胀宇宙模型,1922年，俄国数学家A. Friedman求得不含“宇宙常数”项的引力场方程的均匀的和各向同性的通解。,由Einstein场方程可以得到,称为Friedman方程。它表示,宇宙的膨胀实际上由三项来共同驱动：物质项、宇宙学常数项和曲率项,。,A. Friedman,25,3.,大爆炸宇宙学 (The Big Bang Cosmology),1948年伽莫夫等人,首先提出宇宙起源于约100-150亿年前一次猛烈的巨大爆炸。,宇宙的爆炸是空间的膨胀,，物质则随着空间膨胀（宇宙是无中心的）。,随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的原初元素相继形成 。,George Gamov,26,4. 宇宙的年龄,宇宙的年龄取决于哈勃常数的大小及其随时间的变化，和宇宙内物质密度的大小,如果,H,0,71 km/s/Mpc,(1),0,= 0 ,V,不随时间变化，,t,=1/,H,0,140 亿年，,(2),0,= 1 ,t,=2/3,H,0,90 亿年，,(3),0, 1 ,t, 90 亿年。,27,6.2 太阳系,自然科学概论,6.2.1 太阳系的特征,6.2.2 太阳系的结构,6.2.1 太阳系的行星,6.2.1 太阳系的形成,28,尺度,组成,直径240亿千米,尺度 半径70万千米,位置 银河系轴3/5处,运动 250千米/ 秒绕轴运动,温度,内部 15000000K,表面 6000K,行星,8个,类地行星,（Si、Fe）,卫星 34个,无卫星,有卫星,彗星 1600颗,流星,太阳 中心天体,水 金 地 火,木 土 天 海,类木行星,（H,2、,N,2、,NH,3、,CH,4,）,6.2.1 太阳系的特征,29,6.2.2太阳系的结构,30,太阳系由太阳、八大行星及其卫星、小行星、流星体、彗星和行星际物质等天体组成的天体系统。,31,八大行星排列顺序是：,水星、金星、地球、火星、 （小行星带）、木星、土星、天王星、海王星,32,水星、金星、地球、火星、 （小行星带）、木星、土星、天王星、海王星,6.2.3 太阳系的行星,33,水星是最靠近太阳的行星，它与太阳的角距从不超过28，中国古代称水星为辰星。古时候西方人以为水星是两颗行星，他们在暮色中见到它时，称它为墨丘利(Mercury)，在晨曦中见到它时，称它为阿波罗。后来人们知道了墨丘利和阿波罗就是同一颗星，就称水星为墨丘利。墨丘利是罗马神话中专为众神传递信息的使者，他头戴插有双翅的帽子，脚蹬飞行鞋，手握魔杖，行走如飞。他神通广大，令人难以捉摸。水星确实像墨丘利那样，行动迅速，神出鬼没，在一个半月的时间里它会沿着一段奇特的曲线，从太阳的最东边跑到最西边，平均速度为每秒4789千米，是太阳系中运动最快的行星。,34,金星,除了太阳和月亮，天空中最亮的天体就是金星。金星最亮的时候，比著名的天狼星还亮14倍。白天它不会被太阳完全淹没，夜晚它还能把人和地上的物体照出影子。用星等来表示它的亮度的话，最亮时，它可以达到4.6等以上,35,金星的大气,金星的表面,36,地 球,37,月球,38,月球表面,39,火星按离太阳由近及远的顺序为第四颗行星。肉眼看去是一颗引人注目的火红色的亮星。它缓慢的穿行于众恒星之中，从地球上看火星时而顺行，时而逆行。火星最暗视星等约为15等，最亮时比最亮的恒星天狼星还亮，达-2.9等，这是由于地球和火星分别在各自的轨道上运行，它们之间的距离总在不断变化。,40,火星表面,41,木星是太阳系中最惹人注目的一颗行星，它是行星八兄弟中的老大-个儿最大。它的亮度仅次于金星。中国古代把它叫做“岁星”，用它来纪年，因为已经知道它的公转周期近于12年。西方则称木星为“朱庇特(Jupiter)”，即罗马神话中的主神。相当于希腊神话中的王者-天神宙斯。,42,土星是离太阳第六远的一颗美丽的行星，凡是用望远镜看过土星的人，无不惊叹不已。土星公转轨道半径为14亿千米，冲日时最大亮度为0.4星等。土星那橘色的表面，漂浮着明暗相间的彩云，配以赤道面上那发出柔和光辉的光环，远远望去真像个戴着顶大沿遮阳帽的女郎。,43,天王星在太阳系中的位置排行第七，距太阳约29亿千米。它的体积很大，是地球的65倍，仅次于木星和土星，在太阳系位居第三；它的直径为5万多千米，是地球的4倍，质量约为地球的14.5倍。,44,海 王 星,按距太阳的平均距离由近及远排列，海王星排行第八。它的亮度为785等，只有在望远镜里才能看到。由于它是一颗淡蓝色的行星，根据传统的行星命名法，它被命名为涅普顿（Neptune）。涅普顿是罗马神话中统治大海的海神，掌管着1/3的宇宙，颇有神通，海王星的天文符号象征涅普顿手中寒光闪闪的神叉。,45,冥 王 星,九大行星中离太阳最远、质量最小的要算冥王星了。它在远离太阳59亿千米的寒冷阴暗的太空中蹒跚前行，这情形和罗马神话中住在阴森森的地下宫殿里的冥王普鲁托非常相似。因此，人们称其为普鲁托（Pluto），在天文学中是普鲁托英文名字前两个字母，又是对冥王星发现有推动之功的美国天文学家洛韦尔 （Percival Lowell）姓名的缩写。,46,土星及其六个较大的卫星,47,近观土星光环,48,6.2.4 太阳系的形成,自然科学概论,1.渐变说-吸集盘理论,弥散在太空中旋转的气体和尘埃,在引力作用下收缩升温.,2.灾变说,有另外的一恒星从太阳旁边掠过或者碰撞.,49,太阳系形成、演化,地球形成、演化,50,6.3 恒星世界,6.3.1 恒星,6.3.2 恒星起源和演化,51,1.恒星的亮度 Stellar Brightness,星等,m,(,apparent magnitude,),星星亮度的等级最早是由,希腊,天文学家依巴谷（Hipparchus）于公元二世纪时创立的，他把天上最亮的二十颗星定为1等星，再依光度不同分为2等星、3等星，如此类推到6等星。,星等值越大，视亮度越低。,1等星,6等星,52,1850年英国天文学家扑逊（Pogson）加以订定其标准，他以光学仪器测定出星球的光度，制定每一星等间的亮度差为 2.512倍（基本上是定义1等星的亮度为6等星的100倍，而其五次方根为2.512，即是(2.512)5100）。而比一等星还亮的星是0等；再亮的则用负数表示，如-1，-2，-3等。,53,54,恒星的距离通常以秒差距,(parsec, pc),或光年,(light year, ly),作为单位。,秒差距,parsec)是一种最古老的，同时也是最标准的,测量,恒星距离的方法。它是建立在三角视差的基础上的。以地球公转轨道的平均半径（一个,天文单位,，AU）为底边所对应的,三角形,内角称为视差。当这个角的大小为1角秒时，这个三角形（由于1秒的角的所对应的两条边的长度差异完全可以忽略，因此，这个三角形可以想象成直角三角形，也可以想象成等腰三角形）的一条边的长度（地球到这个恒星的距离）就称为1秒差距。,2.恒星的距离,55,1 秒差距是周年视差为1的天体的距离。,1,秒差距,(pc) = 3.26,光年,(ly),= 206265,天文单位,(AU),56,3.恒星的运动 Stellar Motion,1) 恒星真实运动的速度,2) 恒星的距离,3) 恒星真实运动的方向与视线间的夹角,因此，一个远距离但运动快的恒星和 另一个近距离但运动慢的恒星会有相同的自行。,视差,(,parallax,)只是恒星的一种,视运动,(,apparent motion,), 恒星自身,的运动称为恒星的,自行,(,proper motion,), 它取决于三个因素。,57,4.恒星的自行 (proper motion),恒星在天球上的,视运动,有两种成分：,地球和太阳的运动引起的相对运动和恒星的真实视运动。,后者称为恒星的自行，代表恒星在垂直于观测者视线方向上的运动。,58,自行(arcsec/yr) = 横向速度 (transverse velocity)/距离,自行大的恒星通常是近距离恒星，但自行小的恒星并不一定是远距离的。,Barnard星是具有最大自行的恒星，在22年内自行达227,(10.3,/yr) 横向速度,=,88 km/s,59,6.3.2 恒星起源和演化,引力收缩阶段恒星的幼年期；,主序星阶段恒星的中年期；,红巨星阶段恒星的老年期；,白矮星和中子星阶段恒星的临终期。,60,各阶段的恒星,1、原恒星,当云团中心温度达到2000K时，中心形成内核，来自恒星内部的辐射压将周围物质驱散，恒星逐渐露出，恒星“婴儿”就诞生了。,2、主序星,当恒星中心温度达到,700万度,以上时，开始核聚变反应，恒星停止收缩，形成了正常的恒星，进入了主序星阶段。主序星阶段占恒星一生寿命的90%，是恒星最稳定的阶段，类似于人类的中年时期。,61,62,3、红巨星,随着核聚变的进行，恒星中心的氦核越来越大，氦核周围的氢越来越少，当氦核质量占到恒星质量的12%时，恒星结构出现重大变化，氦核收缩，而恒星外层膨胀，体积急剧增大，表面温度降低。恒星进入了老年期红巨星或超新星。,63,这阶段，恒星的氧-碳内核已经不再发生热核反应，即使外 对核的压力增大内核也得不到充分的压缩而引起碳-氧继续聚变，但内核周围的氢层和氦层继续燃烧，并且向外扩展，这种情况下，引力与排斥力开始不稳定，恒星便开始一鼓一缩,的脉动，红巨星稀薄的包随着红巨星大气的，中心星由于极高密度和温度产生类似丧失爆发的高速星风，将剩余的气体与尘埃抛出，形成不规则的块状结构和气泡结。,64,4、白矮星和中子星,恒星演化到后期，星体的变化有越来越剧烈、越来越复杂。最后产生大爆发，抛出大量物质。外部形成行星状星云，内部塌缩成一颗致密的天体,白矮星,，或,中子星,，或黑洞。,恒星最后演化的途径，和恒星质量、恒星氦核演变有关。一般认为，大质量（大于1.44太阳质量）的恒星演化到后期要发生塌缩或大爆发，成为超新星，抛出大量物质，中心留下一个中子星或黑洞，而中小质量的恒星则比较平稳地抛出物质，形成行星状星云，中央残核留有一颗致密天体白矮星。这就是恒星最后的归宿。,65,66,三种,质量 太阳,超新星爆发,黑洞,恒星,归宿,67,1.星系,漩涡星系,椭圆星系,不规则星系,2. 银河系,尺度,组成,发光部分直径 7 万光年,最大厚度 1 万光年,恒星 2000亿颗,气体、尘埃团块,6.3.2 星系与银河系,68,6.4.1牛顿物理学中的黑洞,The Laplace invisible star in Newtonian Physics,6.4.2广义相对论中的黑洞,No-escapable region of space-time in General Relativity,6.4.3量子黑洞-黑洞的辐射与蒸发,Quantum black holes, Radiation and evaporation from a black hole,6.4.4黑洞存在的观测证据,Observational evidences of the existence of black holes.,6.4.5霍金最新的黑洞假说,6.4 黑洞,69,6.4.1牛顿理论中的黑洞概念,BLACK HOLE IN NEWTONS THEORY,黑洞的概念早在1783年由迈克尔给凯文迪许的信中首次提出.,The concept of a black hole was first expressed by John Michel in his letter of,1783,to Henry Cavendish.,主要想法是：一个球形的发光的星体，具有与太阳相同的密度，而直径比太阳的大五百倍， 那么，从这个星体表面逃逸的速度将大于光速。,His main idea was that for a spherical, luminous star, of the same density as the sun, and with a diameter five hundred times larger than that of the sun, the speed of escape from the surface of the star would exceed the speed of light.,70,1.看不见的星,Invisible Star,(,Laplace,1798),拉普拉斯,（1798）：,一颗发光的星，密度与地球相同，直径比太阳的大250倍，它发出的光将被吸引回去而达不到我们这里。因此，宇宙中的最大发光星体可能由于这个原因而成为看不见的星。,Marquis de,Laplace,: ,a luminous star, of the same density as the earth, and whose diameter should be two hundred and fifty times larger than that of the sun, would not, in consequence of its attraction, allow any of its rays to arrive at us. It is therefore possible that the largest luminous bodies in the universe may, through this cause, be,invisible,., (The System of the World).,71,2.引力半径,Gravitational radius,72,6.4.2广义相对论中的黑洞,No-escapable region of space-time in General Relativity,73,1.事件视界,Event horizon,在非常强的引力场中，例如在中子星的表面或接近黑洞的事件视界，我们必须用广义相对论。,In the case of very strong gravitational fields, such as on the surfaces of neutron stars or close to the “,event horizon,”of black holes, we have to use,General Relativity.,74,2.比中子星的密度还大很多,Much more dense than,neutron stars,中子星的密度的数量级为10,12,kgm,-3,.,在18-19世纪，很难想象一个密度比中子星还大的星体。直到20世纪60年代，才将这种星体叫,黑洞,。,Neutron star densities are of the order of 1015g.cm-3. It was hard at that time to imagine a star, such as a black hole, which is much more dense than neutron stars. This might be the reason why black holes had not been paid much attention until the 1960s when the name of,black hole,was coined.,75,3.三种不同特性的黑洞,史瓦西黑洞,(,球形,),Schwarzschild black hole,克尔黑洞（旋转）,Kerr black hole,克尔,-,纽曼黑洞（旋转并带电）,Kerr-Newman black hole,76,史瓦西黑洞,Schwarzschild black hole,它是不旋转、不带电的黑洞；,它的大小只与质量M有关；,它的外部时空由爱因斯坦场方程的静态球对称解所描述。,In 1967, it was proved that any non-rotating black hole would end up after gravitational collapse as a Schwarzschild black hole whose size depends only on its mass and whose external spacetime is described by the spherically symmetric solution of Einsteins field equations,(Schwarzschild, 1916; Penrose, 1965; Wheeler, 1966; Israel, 1967).,77,克尔黑洞,Kerr black hole,1963年克尔发现旋转黑洞的爱因斯坦场方程的稳态轴对称解。,The axisymmetric solution of Einsteins field equations for a rotating black hole was discovered by Kerr(1963).,它是只旋转、不带电的黑洞；,它的外部时空由质量M和角动量J描述。,A rotating black hole is called a Kerr black hole, whose external spacetime is completely characterized by its mass M and angular momentum J.,78,能层， ergosphere,r+,r_,79,E,0,E,2,E,1,E,0,从黑洞提取能量！,80,克尔-纽曼黑洞,Kerr-Newman metric,81,6.4.3黑洞的量子力学,Quantum mechanics of black holes,黑洞的熵,S,bh,= (1/4)A,bh,.,Entropy S = (1/4)A.,A-黑洞视界的面积,黑洞的温度,T,bh,=,/2,k,B,Temperature T =,/2,k,B,.,-,黑洞的表面引力，,k,B,-,玻尔兹曼,常数,(Hawking,，,DeWitt,，,1975,，,),82,霍金辐射,Hawking radiation,黑洞有温度，就要辐射。,A black hole with T,bh,will evaporate.,辐射的量子的平均波长与质量成正比。,The average wavelength of emitted quanta is M, comparable to the size of a bh.,局域的粒子概念不再成立。,The concept of locally defined particle breaks down.,83,量子黑洞,(Stephen Hawking,1974),黑,的洞，有蒸发,物质,可进,可出,信息不见了！,黑洞佯谬！,BH paradox!,1975,John Preskill,84,6.4.4黑洞存在的观测证据,85,广义相对论的结论,Consequence of General Relativity,作为恒星、星系核以及极早期宇宙的涨落所引起的完全引力踏缩的最终产物，黑洞的存在是广义相对论的不可避免的结论。,The existence of black holes is an inevitable consequence of General Relativity. Their place as,an endpoint of stellar and,galactic nuclei evolution,and,possible production of fluctuation,in the,very early universe,现在看来，这个结论是相当可靠的。,now seems fairly secure.,86,活动星系核中的黑洞,BLACK HOLES IN,AGN,(1),已发现赛佛特旋转星系 NGC 1068具有宽带的高激发态谱线(Fath, 1908) ，其红移达到1100 km/s (Slipher, 1917)，该星系有亮度达到 4x10,36,J/s. Woltjer (1959) 推断出这种星系至少存活了10,8,年. 与一个质量为,10,6,- 10,9,M,的黑洞的情况相符合。,The Seyfert spiral galaxy, NGC 1068, has been found to have unusual broad and high excitation lines (Fath, 1908) with a redshift of 1100 km/s (Slipher, 1917) and a bright condensed nucleus with luminosity approaching 4x10,36,J/s. Woltjer (1959) deduced that such objects must live for at least 10,8,yr. A black hole with mass,10,6,- 10,9,M,fits this description well.,87,已发现射电星系天鹅座A发射的射电功率达到10,37,J/s，红移Z = 0.05 (Baade and Minkowski, 1954)。 Burbidge (1959) 证明，要辐射这么强的射电强度，需要的总能量为3x10,52,J，这说明活动星系核与巨大的能量过程相关。,The radio galaxy Cygnus A has been observed to have radio power of 10,37,J/s with redshift Z = 0.05 (Baade and Minkowski, 1954). Burbidge (1959) showed that a total energy of 3x10,52,J was required to account for the intensity of the radio emission. Powerful radio galaxies gave an indication of the enormous energies involved in active galactic nuclei (AGN).,活动星系核中的黑洞,BLACK HOLES IN,AGN,(2),88,类星体,Quasars,(1),1963年发现类星体3C273的光发射功率为10,39,J/s，并具有长的喷流。,The,quasar 3C273,was discovered in 1963. It has optical power of 10,39,J/s, and a long jet.,89,1963年 Smith 和 Hoffleit发现类星体变化的时间尺度 1 月，这说明能量产生的区域的尺度10,15,m。,In 1963, Smith and Hoffleit discovered that quasars were variable on timescales 1 month. It implies that the energy was produced within a region 7M,的黑洞。,Webster and Murdin (1972), Bolton (1972), and Gies and Bolton (1986) showed a black hole with mass 7M,is the companion to HD 226868 in the binary X-ray source Cygnus X-1.,93,越来越强的证据显示在Cyg X-1, LMC X-3, A062000, LMC X-1, 和 SS433这些双星中存在质量在,6-8,M,黑洞。,The arguments for the X-ray sources Cyg X-1, LMC X-3, A062000, LMC X-1, and SS433 being black holes with,6-8 solar mass,in mass transfer binaries are at least as strong as the reasons for believing that helium is made in the big bang.,双星中的黑洞,Black Holes in binaries,(2),94,在LMC X-3中有一个质量(104)M,的黑洞。,In LMC X-3, we have a black hole with mass (104)M,(Paczynski, 1984).,在X-射线新星A0620-00中有一个质量3.2M,的黑洞。,There may be a black hole with mass 3.2M,in the X-ray nova A0620-00 (McClintock et al., 1986).,在LMC X-1中有一个质量4M,的黑洞。,LMC X-1, has been put forward as a black hole candidate with mass 4 M by Hutchings et al. (1983).,双星中的黑洞,Black Holes in binaries,(3),95,Abell 和 Margon (1979)，Margon (1984) 证实 SS433是一个包含质量 7 M,的双星。朝两个相反方向的喷流的速度,v =0.2 c。,Abell and Margon (1979) and Margon (1984) verified that SS433 is a binary system containing a compact object which may be a black hole with mass 7 M,and emitting two directly opposite jets. The jet speed is stable at v =0.2 c.,双星中的黑洞,Black Holes in binaries,(4),96,双星SS433的周期为163天，还有13.1天和0.7月的变率。这是由于致密天体和以13.1天为周期绕这颗致密天体转的伴星的蚀所造成。,The precession period is 163 d. SS433 also has a 13.1 d, 0.7 m variation. This is attributed eclipsing of the compact object and its companion, orbiting with a 13.1 d period.,Pakull 和 Angebault (1986) 提供的确证说明， SS433中的这颗致密天体就是一个黑洞。,Pakull and Angebault (1986) provide corroborating evidence. The weight of evidence favors SS433 containing a black hole.,双星中的黑洞,Black Holes in binaries,(5),97,Blandford（1987）指出，双星SS433中的致密天体被一个吸积盘所包围，发出的辐射的功率约为10,39,J/s ，公转周期为163天。这个致密天体可能是一个质量7M,的黑洞。,The compact object is surrounded by an accretion disk. The power radiated by this compact object would be about 10,39,J/s at the Eddington limit. Two antiparallel jets emanating from a compact object (maybe a black hole with mass 7M,) in a binary system precess on a cone with opening angle 20circ and period 163d. Tidal torques produced by the orbiting companion impose a small nutation on the jets with a 6.06 d period. (Adapted from Blandford, 1987.),双星中的黑洞,Black Holes in binaries,(6),98,其他可能的黑洞,OTHER POSSIBILITIES,(1),Paczynski（ 1986）发现四对类星体，可能是由于引力透镜效应（Turner, 1986）所造成。该巨黑洞的质量约为10,12,M,。,Discovery of six pairs of quasars that are possibly gravitationally lensed (Turner, 1986) has revived interest in cosmological 10,12,M,supermassive black holes. (See Paczynski, 1986.),99,其他可能的黑洞,OTHER POSSIBILITIES,(2),Freese, Price Shramm (1983)提出质量在10,12,kg 和 1M,之间的,原初（微）黑洞可能激发星系的形成。,Primordial (mini) black holes have been postulated by Freese, Price and Shramm (1983). The mass would be between 10,12,kg and 1M, and may stimulate galaxy formation.,100,考虑到量子效应，宇宙极早期产生的质量约为10,12,kg的微黑洞，由于蒸发，它的寿命与我们宇宙的时间尺度相当，可能与观察到的,射线爆相关。,If quantum effects are taken into account, the evaporation of mini black holes with mass 10,12,kg , created in the very early Universe, with lifetime as the time scale of our Universe, would be related to gamma-ray burst.,其他可能的黑洞,OTHER POSSIBILITIES,(3),101,NASA, Caltech 和 MIT 三支天文学家队伍在1998年1月7日在美观天文学会上宣布：,离地球40,000 光年的Aquila星座中被怀疑为黑洞的天体GRS 1915+105，由其X-射线涨落，发现由速度约为光速的92%的喷流发出了红外辐射。,Jan. 7 1998, at a meeting of the American Astronomical Society in Washington, D.C. , three teams of astronomers from NASA, Caltech and MIT have announced:,Fluctuation in X-ray emissions around a suspected black hole, GRS 1915+105, about 40,000 light years from Earth in the constellation Aquila, hursts infrared radiation from jets of hot matter about 92% the speed of light.,其他可能的黑洞,OTHER POSSIBILITIES,(4),102,结论,Conclusion,黑洞存在的观测证据强而有力而且正在增加,The observational evidence for black holes exist is very strong and increasing.,没有一个证据是无懈可击的。,None of the observational evidence can be considered as absolutely well-established.,这是科学领域的正常状况。,This is the normal state in most science.,在现阶段的积极态度是接受这些证据作为候选者，并假设黑洞存在而继续探索。,It is surely more productive at this stage to accept the evidence and proceed with the hypothesis that,black holes do exist,.,103,6.4.5霍金最新的黑洞假说,霍金推翻自己的黑洞悖论,黑洞也释放信息！,104,黑洞,黑,的洞,物质、,能量、,信息,可进可出。,2004年7月,霍金新论,105,斯蒂芬霍金在国际第十七届广义相对论与万有引力大会上发表演讲,2004,7,斯蒂芬霍金出席第,17,届国际广义相对论与万有引力大会,2004,7,106,一九八三年于意大利,107,霍金的生平非常富有传奇性。在科学成就上，他是有史以来最杰出的科学家之一。霍金是当代最重要的广义相对论家和宇宙论家。70年代他和彭罗斯一道证明了著名的奇性定理，他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。1980年以后，他的兴趣转向量子宇宙论。,他在1982年开始写时间简史。此书已被翻译成30种文字，并出售了大约550万册。,霍金认为他一生的贡献是，在经典物理的框架里，证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性，黑洞越变越大；但在量子物理的框架里，他指出，黑洞因辐射而越变越小，大爆炸的奇点不但被量子效应所抹平，而且整个宇宙正是起始于此。,2002年8月18日下午3点，霍金在北京国际会议中心，作主题为“膜的新奇世界”科普报告。,108,世界著名天体物理学家斯蒂芬霍金,2004,年,7,月,21,日公布了他关于黑洞理论的最新研究成果。霍金在他的研究中称：,黑洞，这种由巨大恒星塌陷形成的神秘宇宙涡流，并非象人们原先认为的那样只会摧毁所有被它巨大引力吞噬的物质。黑洞不会将进入其边界的物体的信息淹没，反而会将这些信息,“,撕碎,”,后释放出去。相对而言，黑洞还将以被挤压得扁平扭曲的形式向外界释放出其中所包含能量和物质信息。,该一理论的提出，说明霍金推