廣義相對論的黑洞實用教案

1、一，黑洞概念的提出一，黑洞概念的提出(t ch)(t ch) 二，各種黑洞二，各種黑洞 三，尋找黑洞三，尋找黑洞 第1頁/共26頁第一頁，共27頁。1 1，第二宇宙速度，第二宇宙速度( (逃逸速度逃逸速度) ) 根據(jù)動能根據(jù)動能(mv2/2)(mv2/2)引力勢能引力勢能(GMm/R)(GMm/R)導(dǎo)出導(dǎo)出 R R愈小，愈小，M M愈大，逃逸速度愈大；愈大，逃逸速度愈大； 逃逸速度達(dá)光速，光不能離開，形成逃逸速度達(dá)光速，光不能離開，形成(xngchng)(xngchng)黑洞；黑洞； 地球半徑壓縮到地球半徑壓縮到0.90.9厘米，就形成厘米，就形成(xngchng)(xngchng)黑洞；黑洞

2、；RGMv2一，黑洞概念一，黑洞概念(ginin)的提出的提出第2頁/共26頁第二頁，共27頁。 1795年，拉普拉斯預(yù)言：“一個密度和地球一樣而直徑為太陽的250倍的發(fā)光恒星，引力將不允許任何光線離開它，不能被我們看見(kn jin)?！?稱這種天體為“黑暗的一團(tuán)”。 1783年英國牧師、地質(zhì)學(xué)家約翰米歇爾還早于拉普拉斯提出幾乎一樣的看法。2 2，黑洞，黑洞(hidng)(hidng)的預(yù)言的預(yù)言第3頁/共26頁第三頁，共27頁。 廣義(gungy)相對論 G=8T 張量3,3,廣義相對論關(guān)于黑洞廣義相對論關(guān)于黑洞(hidng)(hidng)的概念的概念彎曲時空物質(zhì)的能量彎曲時空物質(zhì)的能量(

3、nngling)動量動量 物質(zhì)告訴時空怎么彎物質(zhì)告訴時空怎么彎曲；曲； 時空告訴物質(zhì)怎么運時空告訴物質(zhì)怎么運動。動。第4頁/共26頁第四頁，共27頁。比喻時空比喻時空(sh kn)彎曲的例子彎曲的例子 原來平直，因中間 放了一個鉛球而彎曲 放一個小球在上面， 它會滾入中央(zhngyng)的鉛球 處。若小球有橫向速度，將繞鉛球轉(zhuǎn)起來。 牛頓：鉛球的萬有引力吸引了小球； 愛因斯坦：由于鉛球的存在使空間彎曲了，小 球并未受到任何力，只在彎曲空間作自由（慣 性）運動。第5頁/共26頁第五頁，共27頁。廣義廣義(gungy)相對論的相對論的三大預(yù)言三大預(yù)言 愛因斯坦場方程，很復(fù)雜， 由10個方程組組成

4、，非常難解。 近似解給出三大預(yù)言： 1，光線(gungxin)偏折 (時空彎曲）； 2，引力紅移 （時空彎曲處， 時間會變慢）； 3，軌道進(jìn)動；第6頁/共26頁第六頁，共27頁。廣義廣義(gungy)相對論的黑洞相對論的黑洞 質(zhì)量一定的恒星，其半徑越小，對周圍時 空彎曲作用越大。半徑小到一定程度后，朝 某些角度發(fā)光就將沿彎曲空間返回恒星表面。 這就是黑洞。 超新星爆發(fā)后，形成的中子星的質(zhì)量超過 2個2個太陽質(zhì)量引力仍大于簡并中子氣壓(qy)， 繼續(xù)塌縮，形成黑洞。 第7頁/共26頁第七頁，共27頁。 最簡單：不旋轉(zhuǎn)，不帶電,僅有質(zhì)量參數(shù)； 垂直于表面發(fā)射的光都被捕獲處的半徑，表示黑洞的半徑 R

5、s=2GM/c2 算出：太陽的史瓦西半徑為3千米，地球僅為0.9厘米。與由牛頓力學(xué)推導(dǎo)(tudo)出的公式所給出的估計是一致的。1,1,史瓦西黑洞史瓦西黑洞(hidng)(hidng)（球形黑洞（球形黑洞(hidng)(hidng)）二，各種二，各種( ( zhn zhn) )黑洞黑洞第8頁/共26頁第八頁，共27頁。視界：史瓦西半徑是視界：史瓦西半徑是黑洞的邊界。物質(zhì)（包黑洞的邊界。物質(zhì)（包括光）一旦括光）一旦(ydn)(ydn)落入視界之落入視界之內(nèi)，就再也不能逃出視內(nèi)，就再也不能逃出視界。界。中心奇點：黑洞除中心中心奇點：黑洞除中心有物質(zhì)以外，其它地方空無一物，中心點的物有物質(zhì)以外，其它

6、地方空無一物，中心點的物質(zhì)密度、引力都是無窮大，故稱奇點。質(zhì)密度、引力都是無窮大，故稱奇點。第9頁/共26頁第九頁，共27頁。黑洞對外界黑洞對外界(wiji)光線的影響光線的影響第10頁/共26頁第十頁，共27頁。飛船靠近飛船靠近(kojn)黑洞表面黑洞表面 地球上看：飛船越趨近黑洞，走得越慢；飛船發(fā)出的光線的頻率越來越長，飛船變得越來越紅，越來越暗，逐漸凍結(jié)在黑洞的表面上，消失在黑暗中。 飛船上：除了潮汐(chox)力不斷加大之外，感覺不到任何異常，并將進(jìn)入黑洞。當(dāng)然，強(qiáng)大的潮汐(chox)力可能將飛船和宇航員撕裂。第11頁/共26頁第十一頁，共27頁。 黑洞有自轉(zhuǎn)，偏離球形而成橢球體。 旋

7、轉(zhuǎn)黑洞有兩個參量：質(zhì)量和角動量。 旋動黑洞的周圍就像宇宙中的一個(y )引力大旋渦，旋渦中心是黑洞，在旋渦附近的物體都會吸向旋渦中心。2 2，克爾旋轉(zhuǎn)，克爾旋轉(zhuǎn)(xunzhun)(xunzhun)黑洞黑洞第12頁/共26頁第十二頁，共27頁。 不再是中心的奇點，而是一個平躺在赤道面上的奇異環(huán)。進(jìn)入克爾黑洞的飛船只要不進(jìn)入奇異環(huán)所在的赤道面，飛船可以在其附近(fjn)自由飛翔。第13頁/共26頁第十三頁，共27頁。 黑洞的質(zhì)量沒有上限。特大質(zhì)量的黑洞形成途徑： 比較大的恒星級黑洞逐步吞食附近的物質(zhì)形成； 恒星集團(tuán)(jtun)的引力坍縮而形成； 宇宙早期形成的大大小小質(zhì)量的黑洞，包括特大質(zhì)量的原初

8、黑洞。3 3，特大質(zhì)量，特大質(zhì)量(zhling)(zhling)黑洞黑洞第14頁/共26頁第十四頁，共27頁。史蒂芬史蒂芬威廉威廉霍金霍金 1942 1942年生，年生，1717歲歲上牛津大學(xué)，后到上牛津大學(xué)，后到劍橋大學(xué)讀博士劍橋大學(xué)讀博士(bsh)(bsh)。 21 21歲得了帕金森歲得了帕金森氏病，面臨氏病，面臨“早逝早逝”的危險，他才開始學(xué)天文學(xué)。的危險，他才開始學(xué)天文學(xué)。19701970年，完全被禁錮在輪椅上，頭也抬不起來，年，完全被禁錮在輪椅上，頭也抬不起來，失去了說話的能力。繼續(xù)天文學(xué)的研究。失去了說話的能力。繼續(xù)天文學(xué)的研究。4 4，霍金的量子，霍金的量子(lingz)(lin

9、gz)黑黑洞洞第15頁/共26頁第十五頁，共27頁。 黑洞是一個絕對的吸收體，它只可能與外界發(fā)生單向的物質(zhì)與質(zhì)量的傳遞(chund)。 霍金說：黑洞不黑，黑洞可能輻射能量，可能發(fā)射粒子。但僅對微型黑洞有效。黑洞黑洞(hidng)不黑不黑 黑洞因捕獲負(fù)粒子而損失能量，相當(dāng)于黑洞發(fā)射的輻射(fsh)。輻射(fsh)為熱譜。質(zhì)量越大溫度越低，質(zhì)量10億噸的微黑洞，有一千二百多億度的高溫，輻射(fsh)很強(qiáng)。第16頁/共26頁第十六頁，共27頁。黑洞黑洞(hidng)蒸發(fā)蒸發(fā) 如果有電場存在：當(dāng)一對正負(fù)電子在真空中出現(xiàn)，它們會被電場沿相反方向分離，就不能再碰撞和湮滅。 微型黑洞的強(qiáng)引力場，相當(dāng)于電場的

10、作用。 導(dǎo)致正反粒子會分離一段很短的時間。正粒子或反粒子都有可能(knng)掉入黑洞，其中反粒子掉入的可能(knng)性大一些，因此在黑洞視界外就有一些正粒子，相當(dāng)于黑洞發(fā)射了正粒子。黑洞在蒸發(fā)，發(fā)出粒子流。第17頁/共26頁第十七頁，共27頁。微型微型(wixng)黑洞黑洞 在宇宙的初始時刻或在超新星爆發(fā)時，有可能形成微型黑洞。其質(zhì)量相當(dāng)于一座山，尺度如同(rtng)一個基本粒子。 質(zhì)量為100萬噸的黑洞，黑洞半徑只有質(zhì)子大，能維持10年。黑洞的壽命與其質(zhì)量的立方成正比。第18頁/共26頁第十八頁，共27頁。1 1、雙星中黑洞的搜尋、雙星中黑洞的搜尋 黑洞雖不發(fā)光，但它在引力依然存在。黑洞雖

11、不發(fā)光，但它在引力依然存在。 根據(jù)雙星運動估計出看不見的天體的質(zhì)根據(jù)雙星運動估計出看不見的天體的質(zhì)量，如果大于量，如果大于3 3個太陽質(zhì)量，就可能個太陽質(zhì)量，就可能(knng)(knng)是黑是黑洞。洞。 黑洞把周圍的物質(zhì)吸入的過程中，會發(fā)黑洞把周圍的物質(zhì)吸入的過程中，會發(fā)出強(qiáng)烈出強(qiáng)烈X X射線輻射。這也是一個重要判據(jù)。射線輻射。這也是一個重要判據(jù)。三，尋找三，尋找(xnzho)黑洞黑洞第19頁/共26頁第十九頁，共27頁。 有很強(qiáng)X射線輻射，伴星是質(zhì)量約2540個太陽質(zhì)量的藍(lán)巨星，軌道周期為5.6天，X射線源約為7個太陽質(zhì)量，超過中子星質(zhì)量上限，是比較公認(rèn)(gngrn)的黑洞的候選者。 VC

12、D黑洞恒星恒星(hngxng)(hngxng)級黑洞級黑洞候選者候選者天鵝座天鵝座X X1 1示意圖示意圖第20頁/共26頁第二十頁，共27頁。 光學(xué)(gungxu)觀測，銀河系中心是漆黑一團(tuán)。 射電觀測發(fā)現(xiàn)強(qiáng)源人馬座SgrA，由東西兩個源組成。 西邊的又叫SgrA*，有紅外和X射線輻射。 天文學(xué)家把SgrA*定義為銀河系的中心,并認(rèn)為它可能是一個黑洞。2 2，銀河系中心，銀河系中心(zhngxn)(zhngxn)的特大黑洞的特大黑洞第21頁/共26頁第二十一頁，共27頁。 近紅外觀測：SgrA*和一顆年輕恒星組成雙星系統(tǒng)，軌道周期15.56年。 估計出SgrA*有4百萬個太陽的質(zhì)量。史瓦西半

13、徑為0.08天文單位。黑洞(hidng)的角徑為10微角秒。 這是離我們最近、最強(qiáng)、角徑最大的一個超大質(zhì)量黑洞(hidng)候選者。雙星系統(tǒng)雙星系統(tǒng)(xtng)的確認(rèn)的確認(rèn)第22頁/共26頁第二十二頁，共27頁。 黑洞有一個5倍史瓦西半徑大小的陰影區(qū)，對Sgr A*來說，陰影區(qū)約為45.48微角秒。黑洞周圍的輻射區(qū)應(yīng)該與此相當(dāng)。 要判斷SgrA*是不是黑洞，就要測出它的大小，越接近陰影區(qū)，越可能。 沈志強(qiáng)用甚長基線干涉陣（VLBA）3.5毫米，獲得SgrA*的觀測結(jié)果，揭示(jish)出橢圓狀視結(jié)構(gòu)，其尺度僅比黑洞陰影大2.6倍。SgrASgrA* *是否是否(sh fu)(sh fu)為大質(zhì)

14、量黑洞？為大質(zhì)量黑洞？第23頁/共26頁第二十三頁，共27頁。圖上部是用VLBA在五個波長(0.7,1.35, 2.0, 3.6和6.0厘米)的準(zhǔn)同時觀測的SgrA*的圖像，其尺度隨波長的變化。圖下部是一個點源因星際介質(zhì)散射引起放大圖象，更短波長觀測將可能獲得(hud)其真實結(jié)構(gòu)。 SgrA SgrA* *的VLBAVLBA多波段(bdun)(bdun)觀測 第24頁/共26頁第二十四頁，共27頁。 2002年，實現(xiàn)3.5毫米波段的VLBA觀測; 揭示橢圓狀視結(jié)構(gòu)(jigu)，沿東西方向的固有大小在1個天文單位以內(nèi)。 只比黑洞的史瓦西半徑的13倍，比黑洞陰影大2.6倍。 比紅外觀測確定的大小要小1600倍。3.53.5毫米波段毫米波段(bdun)(bdun)的的VLBAVLBA的觀測的觀測第25頁/共26頁第二十五頁，共27頁。謝謝您的觀看(gunkn)！第26頁/共26頁第二十六頁，共27頁。NoImage內(nèi)容(nirng