天體運動論文

1、黑洞的演化與形成作者：唐旭日摘要：黑洞是一種引力極強的天體，有著巨大的引力場，連光都無法 逃逸，所以人們無法對它的內(nèi)部運動狀態(tài)進(jìn)行直接觀測。當(dāng)天體的 半徑一旦收縮到一定程度（史瓦西半徑），巨大的引力就使得即使光也 無法向外射出，從而切斷了恒星與外界的一切聯(lián)系“黑洞”誕生 了。為了研究黑洞，天文學(xué)家將目光集中到了黑洞周圍被稱為“吸 極盤”的旋轉(zhuǎn)物質(zhì)云團(tuán)上。物質(zhì)流的重力能將物質(zhì)加熱到極高溫度， 產(chǎn)生的X射線輻射會電離外圍物質(zhì)從而發(fā)光。天文學(xué)家正是通過觀 測這些光電離譜線，再結(jié)合一定的理論模型，對黑洞進(jìn)行間接研究 的。所以譜線的辨認(rèn)和 理論模型的正確與否，對于認(rèn)識黑洞極其關(guān) 鍵。關(guān)鍵詞：黑洞；相對論

2、；史蒂芬霍金；萬有引力；正文：“黑洞”很容易讓人望文生義地想象成一個“大黑窟窿”，其實不然。所謂 “黑洞”，就是這樣一種天體:它的引力場是如此之強，就連光也不能逃脫出來。當(dāng)恒星的史瓦西半徑小到一定程度時，就連垂直表面發(fā)射的光都無法逃逸了。這 時恒星就變成了黑洞。說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質(zhì)一旦 掉進(jìn)去，“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光無法逃逸，所以我們無法直接 觀測到黑洞。然而，可以通過測量它對周圍天體的作用和影響來間接觀測或推測 到它的存在。黑洞引申義為無法擺脫的境遇。根據(jù)廣義相對論，引力場將使時空彎曲。當(dāng)恒星的體積很大時，它的引力場 對時空幾乎沒什么影響，從恒星表面上

3、某一點發(fā)的光可以朝任何方向沿直線射出。 而恒星的半徑越小，它對周圍的時空彎曲作用就越大，朝某些角度發(fā)出的光就將 沿彎曲空間返回恒星表面。那么，黑洞是怎樣形成的呢？其實，跟白矮星和中子星一樣，黑洞很可能 也是由恒星演化而來的。當(dāng)一顆恒星衰老時，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料（氫），由中心產(chǎn) 生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔(dān)起外殼巨大的重量。 所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，直到最后形成體積小、密度大的星體， 重新有能力與壓力平衡。質(zhì)量小一些的恒星主要演化成白矮星，質(zhì)量比較大的恒星則有可能形成中子 星。而根據(jù)科學(xué)家的計算，中子星的總質(zhì)量不能大于三倍太陽的質(zhì)量。如果超過 了

4、這個值，那么將再沒有什么力能與自身重力相抗衡了，從而引發(fā)另一次大坍縮。根據(jù)科學(xué)家的猜想，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點進(jìn)軍，直至成為一個體積 趨于零、密度趨向無限大的“點”。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度（史瓦西 半徑），正像我們上面介紹的那樣，巨大的引力就使得即使光也無法向外射出， 從而切斷了恒星與外界的一切聯(lián)系一一“黑洞”誕生了。與別的天體相比，黑洞是顯得太特殊了。例如，人們無法直接觀察到黑洞， 連科學(xué)家都只能對它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想。那么，黑洞是怎么把自己隱藏起來 的呢？答案就是一一彎曲的空間。我們都知道，光是沿直線傳播的。這是一個最 基本的常識?？墒歉鶕?jù)廣義相對論，空間會在引力場作用下彎曲

5、。這時候，光雖 然仍然沿任意兩點間的最短距離傳播，但走的已經(jīng)不是直線，而是曲線。形象地 講，好像光本來是要走直線的，只不過強大的引力把它拉得偏離了原來的方向。在地球上，由于引力場作用很小，這種彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍， 空間的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部 分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達(dá)地球。 所以，我們可以毫不費力地觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣。更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達(dá)地球，它朝其它 方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達(dá)地球。根據(jù)科學(xué)家計算，一個物體要有每秒中七點

6、九公里的速度，就可以不被地 球的引力拉回到地面，而在空中繞著地球轉(zhuǎn)圈子了。這個速度，叫第一宇宙速度. 如果要想完全擺脫地球引力的束縛，到別的行星上去，至少要有11.2km/s的速度, 這個速度，叫第二宇宙速度.也可以叫逃脫速度。這個結(jié)果是按照地球的質(zhì)量和半 徑的大小算出來的.就是說，一個物體要從地面上逃脫出去,起碼要有這么大的速 度?？墒菍τ趧e的天體來說，從它們的表面上逃脫出去所需要的速度就不一定也 是這么大了。一個天體的質(zhì)量越是大，半徑越是小，要擺脫它的引力就越困難，從 它上面逃脫所需要的速度也就越大。按照這個道理，我們就可以這樣來想:可能有 這么一種天體，它的質(zhì)量很大，而半徑又很小，使得從

7、它上面逃脫的速度達(dá)到了光 的速度那么大。也就是說，這個天體的引力強極了，連每秒鐘三十萬公里的光都被 它的引力拉住，跑不出來了。既然這個天體的光跑不出來，我們當(dāng)然就看不見它， 所以它就是黑的了。光是宇宙中跑得最快的，任何物質(zhì)運動的速度都不可能超過 光速.既然光不能從這種天體上跑出來，當(dāng)然任何別的物質(zhì)也就休想跑出來.一切 東西只要被吸了進(jìn)去，就不能再出來，就像掉進(jìn)了無底洞，這樣一種天體，人們 就把它叫做黑洞.黑洞是根據(jù)現(xiàn)代的物理理論和天文學(xué)理論所預(yù)言的，在宇宙空間中存在的 一種質(zhì)量相當(dāng)大的天體。歷史上，法國物理學(xué)家拉普拉斯曾預(yù)言：“一個質(zhì)量 為250個太陽，而直徑為地球的發(fā)光恒星，由于其引力的作用

8、，將不允許任何光 線離開它。由于這個原因，宇宙中最大的發(fā)光天體，卻不會被我們看見”。愛因斯坦的廣義相對論預(yù)測有黑洞解。黑洞動力學(xué)為了理解黑洞的動力學(xué)和 理解它們是怎樣使內(nèi)部的所有事物逃不出邊界，我們需要討論廣義相對論。廣 義相對論是愛因斯坦創(chuàng)建的引力學(xué)說，適用于行星、恒星，也適用于“黑洞”。 愛因斯坦在1916年提出來的這一學(xué)說，說明空間和時間是怎樣因大質(zhì)量物體 的存在而發(fā)生畸變。簡言之，廣義相對論說物質(zhì)彎曲了空間，而空間的彎曲又 反 過來影響穿越空間的物體的運動。愛因斯坦的學(xué)說認(rèn)為質(zhì)量使時空彎曲。質(zhì)量比 太陽大得多的天體比等于或小于一個太陽質(zhì)量的天體使空間彎曲得厲害地多。天 體穿行時空的平坦

9、區(qū)域時繼續(xù)沿直線前進(jìn)，而那些穿越彎曲區(qū)域的天體將沿彎曲 的軌跡前進(jìn)。現(xiàn)在再來看看黑洞對于其周圍的時空的影響。我們說過，沒有任何 能進(jìn)入黑洞而再逃離它的東西。但科學(xué)家認(rèn)為黑洞會緩慢地釋放其能量。著名 的英國物理學(xué)家 霍金在1974年證明黑洞有一個不為零的溫 度，有一個比其周 圍環(huán)境要高一些的溫度。依照物理學(xué)原理，一切比其周圍溫度高的物 體都要釋 放出熱量，同樣黑洞也不例外。一個黑洞會持續(xù)幾百萬萬億年散發(fā)能量，黑洞釋 放能量稱為：“霍金輻射”。黑洞散盡所有能量就會消失。處于時間與空間之間 的黑洞，使時間放慢腳步，使空間變得有彈性，同時吞進(jìn)所有經(jīng)過它的一切。我 們都知道因為黑洞不能反射光，所以看不見

10、。在我們的腦海中黑洞可能是遙遠(yuǎn)而 又漆黑的。但英國著名物理學(xué)家霍金認(rèn)為黑洞并不如大多數(shù)人想象中那樣黑。通 過科學(xué)家的觀測，黑洞周圍存在輻射，而且很可能來自于黑洞，也就是說，黑 洞可能并沒有想象中那樣黑?；艚鹬赋龊诙吹姆派湫晕镔|(zhì)來源是一種實粒子，這 些粒子在太空中成對產(chǎn)生，不遵從通常的物理定律。而且這些粒子發(fā)生碰撞后， 有的就會消失在茫茫太空中。一般說來，可能直到這些粒子消失時，我們都未曾 有機會看到它們?；艚疬€指出，黑洞產(chǎn)生的同時，實粒子就會相應(yīng)成對出現(xiàn)。其 中一個實粒子會被吸進(jìn)黑洞中，另一個則會逃逸，一束逃逸的實粒子看起來就像 光子一樣。對觀察者而言，看到逃逸的實粒子就感覺是看到來自黑洞中的

11、射線一 樣。史蒂芬霍金是英國著名的天文物理學(xué)家和宇宙學(xué)家?；艚鸬某删途拖袼?究的黑洞一樣強力，令人傾倒。愛因斯坦創(chuàng)立的廣義相對論被科學(xué)界公認(rèn)為最美麗的科學(xué) 理論。黑洞理論 是科學(xué)史上非常罕見的例子，它首先在數(shù)學(xué)形式上被詳盡的研究，后來才在天 文學(xué)的許多觀測上證實了它的普遍存在?，F(xiàn)在，人們的共識是，每個星系的中心 都是一顆極其巨大的黑洞。黑洞的形成原理其實并不復(fù)雜。我們知道恒星都是質(zhì)量很大，會發(fā)光發(fā)熱的 星體。它們放出能量是因為在進(jìn)行劇烈的核反應(yīng)。也是由于這種“爆炸”使它們 維持著較大的體積。而任何反應(yīng)都象燃燒一樣，總有把燃料燒盡的一天。核反應(yīng) 也不例外。當(dāng)燃料燒盡它就“熄滅”了。這時由于它巨

12、大的質(zhì)量，根據(jù)萬有引力， 在相應(yīng)巨大的引力作用下就開始“坍縮”。所有的物質(zhì)向中心擠壓。中心的密度 越來越大。最后把物質(zhì)的原子也壓垮了。又進(jìn)一步壓縮。由于星體質(zhì)量不同，引 力大小不同。最后的結(jié)果也不一樣。黑洞也有不同的種類，根據(jù)黑洞本身的物理特性質(zhì)量，角動量，電荷劃分， 可以將黑洞分為四類1、不旋轉(zhuǎn)不帶電荷的黑洞它的時空結(jié)構(gòu)于1916年由施瓦西求出稱施瓦西黑洞。2、不旋轉(zhuǎn)帶電黑洞稱R-N黑洞。時空結(jié)構(gòu)于1916至1918年由賴斯納(Reissner)和納自敦(Nordstrom)求出。3、旋轉(zhuǎn)不帶電黑洞稱克爾黑洞。時空結(jié)構(gòu)由克爾于1963年求出。4、一般黑洞稱克爾-紐曼黑洞。時空結(jié)構(gòu)于1965年

13、由紐曼求出。轉(zhuǎn)動且?guī)щ姾傻暮诙矗凶隹藸栆患~曼黑洞。這種結(jié)構(gòu)的黑洞視界和無 限紅移面會分開，而且視界會分為兩個(外視界r+和內(nèi)視界r-)，無限紅移面也 會分裂為兩個(rs+和rs-)。外視界和無限紅移面之間的區(qū)域叫做能層，有能 量儲存在那里。越過外無限紅移面的物體仍有可能逃離黑洞，這是因為能層還不 是單向膜區(qū)。r土=M(M”2-a2-Q”2)rs土=M(M”2-a2cos”20-Q2)r=GM/c2土(GM/c2)2-(J/Mc)2-GQ2/c”4(其中，M、J、Q分別代表黑洞的總質(zhì)量、總角動量和總電荷。a=J/Mc 為單位質(zhì)量角動量)單向膜區(qū)內(nèi)，r為時間，t是空間。穿過外視界進(jìn)入單向膜區(qū)得物

14、體，將只 能向前，穿過內(nèi)視界進(jìn)入黑洞內(nèi)部。內(nèi)視界以里的區(qū)域不是單向膜區(qū)，那里有一 個“奇環(huán)”，也就是時間終止的地方。物體可以在內(nèi)視界內(nèi)自由運動，由于奇環(huán) 產(chǎn)生斥力，物體不會撞上奇環(huán)，不過，奇環(huán)附近有一個極為有趣的時空區(qū)，在那 里存在“閉合類時線”，沿這種時空曲線運動的物體可以不斷地回到自己的過去。2010年11月16日凌晨1點30分，美國宇航局宣稱，科學(xué)家通過美國宇航 局錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡在距地球5000萬光年處發(fā)現(xiàn)了僅誕生30年的黑洞。領(lǐng)導(dǎo)這項研究的美國哈佛史密森天體物理學(xué)研究中心的丹尼爾帕 特諾德(Daniel Patnaude)說：“如果我們的解釋是正確的，這將是迄今為止 觀測到的距離地球最近的新生黑洞！”這個最新發(fā)現(xiàn)的年僅30歲嬰兒黑洞是超新星SN 1979C的殘骸