BlackHole黑洞的科普選修課

1、BlackHole黑洞的科普選修課Introduction to black hole 黑洞是時(shí)空曲率大到光都法從其視界逃脫的天體 Physicists 歷史上，第一個(gè)意識(shí)到一個(gè)致密天體密度可以大到連光都無法逃逸的人是英國(guó)地理學(xué)家John Michell。他在1783年寫給亨利卡文迪什一封信中提出這個(gè)想法的，他認(rèn)為一個(gè)和太陽同等質(zhì)量的天體，如果半徑只有3公里，那么這個(gè)天體是不可見的，因?yàn)楣鉄o法逃離天體外表。米切爾預(yù)言的黑洞拉普拉斯預(yù)言的黑洞 1798年，法國(guó)拉普拉斯預(yù)言： 一個(gè)與地球密度相同，而直徑為太陽250倍的星球，它發(fā)射的光將被其自身的引力拉住而不能被我們接收。宇宙中最明亮的天體很可能是

2、看不見的。 PierreSimon Laplace(1). 愛因斯坦廣義相對(duì)論關(guān)于“質(zhì)量引起時(shí)空彎曲” 史瓦西預(yù)言的黑洞史瓦西預(yù)言的黑洞 德國(guó)天文學(xué)家卡爾史瓦西（18731916年）通過計(jì)算愛因斯坦方程后預(yù)言： 如果將大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，其周圍會(huì)產(chǎn)生奇異現(xiàn)象，即在質(zhì)點(diǎn)的周圍存在一個(gè)界面“視界”，一旦進(jìn)入這個(gè)界面，即使光也無法逃脫。(2). 史瓦西預(yù)言的黑洞 天體半徑到達(dá)左式范圍時(shí)光線也無法逃脫 令v=c，該式就變?yōu)槔绽构?美國(guó)物理學(xué)家惠勒將這類天體命名為“黑洞Black Holes史瓦西預(yù)言的黑洞(3).質(zhì)量足夠大或者體積足夠小的恒星都能演化成黑洞 質(zhì)量不變太陽壓縮到半徑3km時(shí)地球

3、到半徑3mm時(shí)黑洞角色主序星（太陽）白矮星中子星黑洞半徑70萬千米1萬千米10千米3千米平均密度1.4 g / cm31 T / cm31 億噸 / cm3100 億噸 / cm3表一 主序星、白矮星、中子星、黑洞時(shí)的尺度與密度Karl Schwarzschild Albert Einstein Stephen William Hawking Evolution of black holes天體內(nèi)部向內(nèi)收縮 向外擴(kuò)張 萬有引力物質(zhì)粒子之間的斥力 來源 主序星的擴(kuò)張斥力來自熱核反應(yīng)導(dǎo)致的粒子間的高溫?zé)徇\(yùn)動(dòng)形成的輻射壓，輻射壓與引力壓平衡； 白矮星阻止自身發(fā)生引力坍縮的外向斥力，主要來源于高密度電

4、子間的泡利斥力； 中子星阻止自身發(fā)生引力坍縮的外向斥力則來自中子之間的泡利斥力（簡(jiǎn)并壓）；黑洞內(nèi)部未知兩種力量的較量及結(jié)局 兩種力量的較量 (2).恒星演化的最終產(chǎn)物 內(nèi)部的核燃料耗盡時(shí)，熱核反應(yīng)熄火，外向的輻射壓消失，失去了抗衡而大獲全勝的引力使紅巨星發(fā)生急劇的坍縮，坍縮又引起反彈和爆發(fā)，爆發(fā)使大量物質(zhì)被拋射。 坍縮和爆發(fā)的壓力進(jìn)而使核心被壓縮成致密的星核，而致密星核又分化為白矮星、中子星、黑洞。視頻：黑洞的產(chǎn)生中子星的奧本海默極限如果中子星的質(zhì)量超過3.2 m(太陽質(zhì)量的3.2倍)（精細(xì)的模型給出值在23 m之間），則其的中子間的泡利斥力就再也阻擋不住星體引力坍縮，會(huì)進(jìn)一步被壓縮成一個(gè)體積

5、很小而質(zhì)量巨大的高密度引力源黑洞。上述3.2 m（常記作3）的中子星界限被稱作“奧本海默極限”，任何超此極限的恒星都難以停留在中子星階段。 奧本海默（19041967）在1939年研究提出吸積accretion by black hole黑洞通常是因?yàn)樗鼈兙蹟n周圍的氣體產(chǎn)生輻射而被發(fā)現(xiàn)的，這一過程被稱為吸積。 恒星被黑洞吞噬黑洞拉伸，撕裂并吞噬恒星 蒸發(fā) Black hole evaporation20世紀(jì)70年代，英國(guó)科學(xué)家霍金等人以量子力學(xué)為根底，對(duì)黑洞作了更縝密的考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑洞會(huì)像“蒸發(fā)那樣穩(wěn)定地往外發(fā)射粒子。 消滅Black hole destruction當(dāng)黑洞的質(zhì)量越來越小時(shí)，

6、它的溫度會(huì)越來越高。這樣，當(dāng)黑洞損失質(zhì)量時(shí)，它的溫度和發(fā)射率增加，因而它的質(zhì)量損失得更快。這種“霍金輻射對(duì)大多數(shù)黑洞來說可以忽略不計(jì)，因?yàn)榇蠛诙摧椛涞谋容^慢，而小黑洞那么以極高的速度輻射能量，直到黑洞的爆炸。 黑洞會(huì)發(fā)出耀眼的光芒，體積會(huì)縮小，甚至?xí)?。?dāng)英國(guó)物理學(xué)家史蒂芬霍金于1974年做此預(yù)言時(shí)， 整個(gè)科學(xué)界為之震動(dòng)Observation of black holes這幅圖片展示了一個(gè)微類星體。微類星體據(jù)信是質(zhì)量與恒星相當(dāng)?shù)男『诙?。如果掉入這個(gè)黑洞，你能夠穿過黑洞的邊界，也就是事件視界。即使尚未被巨大的引力碾碎，你也無法從這個(gè)黑洞的后部穿出，逃離升天。等待你的將是無邊無際的黑暗，任何人也

7、看不到你。黑洞之旅將是一個(gè)致命的旅程。如果一個(gè)人膽敢進(jìn)入黑洞，他/她最終將被可怕的引力撕裂。這幅照片由錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡拍攝，展示了半人馬座A星系內(nèi)一個(gè)超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的影響。美國(guó)宇航局最近宣布，他們第一次觀測(cè)到附近一個(gè)星系內(nèi)發(fā)生的黑洞“誕生過程。這個(gè)黑洞由爆炸的恒星形成。據(jù)“探索新聞報(bào)道，這個(gè)“嬰兒黑洞位于M-100星系，距地球大約5000萬光年。這一發(fā)現(xiàn)讓宇航局陷入興奮之中，因?yàn)樗麄兘K于知道了一個(gè)黑洞的“出生日期，進(jìn)而讓科學(xué)家對(duì)黑洞的研究到達(dá)一個(gè)前所未有的程度。藝術(shù)概念圖，展示了一個(gè)類星體。這個(gè)類星體位于一個(gè)星系中央，是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，四周被旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)環(huán)繞。類星體是處于早期階段的黑洞，可

8、能存在了數(shù)十億年之久。它們據(jù)信在宇宙古代形成。由于被物質(zhì)遮住，發(fā)現(xiàn)類星體并非易事。一幅偽色圖片，所用數(shù)據(jù)來自于美國(guó)宇航局的斯皮策和哈勃望遠(yuǎn)鏡，一個(gè)超大質(zhì)量黑洞正向外噴射巨大的粒子噴流。宇航局表示，這個(gè)噴流的長(zhǎng)度到達(dá)10萬光年，體積相當(dāng)于我們的銀河系。萬花筒般的色彩說明噴流擁有不同的光波。人馬座A星系中央存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。宇航局認(rèn)為這個(gè)黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于40億顆太陽。Part.8 結(jié)語 美國(guó)宇航局2021年11月15日發(fā)現(xiàn)地球附近有一個(gè)年僅30歲的黑洞，這也是人類科學(xué)史上發(fā)現(xiàn)的最年輕的黑洞。 這個(gè)最年輕的黑洞是天文學(xué)家利用美國(guó)宇航局的錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的，它為觀測(cè)這類嬰兒期天體提供了獨(dú)一無

9、二的時(shí)機(jī)。美國(guó)宇航局聲稱，這個(gè)黑洞將能夠幫助科學(xué)家更好地理解大質(zhì)量恒星是如何爆炸的，恒星爆炸后留下的是黑洞還是中子星，以及銀河系和其他星系黑洞的數(shù)量。 這個(gè)30歲的黑洞是距離地球約5000萬光年的M100星系中的超新星“SN1979C的余燼。根據(jù)錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡、美國(guó)雨燕衛(wèi)星、歐洲宇航局牛頓X射線天文望遠(yuǎn)鏡(XMM-Newton )以及德國(guó)倫琴衛(wèi)星獲得的數(shù)據(jù)顯示一個(gè)明亮的X射線源，這個(gè)X射線源在1995年到2007年這段觀測(cè)期內(nèi)一直非常穩(wěn)定，這說明這個(gè)天體是一個(gè)黑洞，它正在吞噬這顆超新星和伴星落下的物質(zhì)。 分類 質(zhì)量 大小 /wiki/%E8%B6%85%E9%87%8D%E9%BB%91%E6%B4%9E 1051010 M太陽 0.001400 AU /wiki/%E4%B8%AD%E4%BB%8B%E8%B3%AA%E9%87%8F%E9%BB%91%E6%B4%9E 103 M太陽 103 km R地球 /wiki/%E6%81%86%E6%98%9F%E9%BB%91%E6%B4%9E 10 M太