黑洞、白洞和蟲洞

第四節(jié)黑洞、白洞和蟲洞東華理工大學(xué)主要內(nèi)容黑洞的形成與尋找蟲洞白洞黑洞、蟲洞和白洞之間的關(guān)系一、黑洞黑洞的成因與分類；黑洞的碰撞和黑洞的蒸發(fā)黑洞的尋找1.黑洞的成因與分類概述：1）黑洞是我們宇宙中最奇怪、最神秘的物體。天文學(xué)家相信在宇宙中有無數(shù)的黑洞，并且認(rèn)為黑洞是涵蓋了一切事物開始的關(guān)鍵。目前最大最古老的黑洞2004.6月，美國斯坦福大學(xué)2）黑洞是根據(jù)現(xiàn)代的廣義相對論所預(yù)言的，在宇宙空間中存在的一種質(zhì)量相當(dāng)大的天體和星體（并非為一個“洞”）。黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生引力坍縮而形成。黑洞的質(zhì)量是如此之大，它產(chǎn)生的引力場是如此之強，以致于任何物質(zhì)和輻射都無法逃逸，就連光也逃逸不出來。由于類似熱力學(xué)上完全不反射光線的黑體，故名為黑洞。在黑洞的周圍，是一個無法偵測的事件視界，標(biāo)志著無法返回的臨界點。質(zhì)量僅為太陽的3.8倍

黑洞的質(zhì)量沒有上限，甚至是太陽的數(shù)億倍美天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)最小黑洞2001.4.28XTEJ1650-500

直徑僅25公里成因：1）一個大質(zhì)量的恒星在其生命最后階段會因自身的引力而坍縮。它自身的引力是如此之強，使它的核坍塌直至成為一個沒有大小、密度極大的數(shù)學(xué)上的點。圍繞這個點有一個直徑只有幾千米被稱為視界的區(qū)域，這里引力強得使任何東西、甚至于連光都不能逃逸出去，這就是黑洞。3）在宇宙大爆炸的早期，宇宙的壓力和能量是如此之大，足以使一些物質(zhì)小團(tuán)塊壓縮成為不同尺度和質(zhì)量的太初黑洞。黑洞的分類：根據(jù)質(zhì)量、角動量和電荷1）史瓦西黑洞：最簡化的無電荷、無轉(zhuǎn)動的球?qū)ΨQ黑洞；2）雷斯勒—諾斯特諾姆黑洞：有電荷、無轉(zhuǎn)動的球?qū)ΨQ黑3）克爾黑洞：無電荷但有轉(zhuǎn)動的黑洞4）克爾—紐曼黑洞：又帶電荷又有轉(zhuǎn)動的黑洞。

眾所周知，黑洞是看不見的，因此科學(xué)家們只能依靠它發(fā)出的輻射和對相鄰恒星的萬有引力作用來判定它的存在。一般來講，天文學(xué)家們將黑洞分為兩類：星狀黑洞和超大質(zhì)量星狀黑洞。星狀黑洞由質(zhì)量相當(dāng)于幾個太陽的恒星坍縮形成，而超大質(zhì)量星狀黑洞的質(zhì)量則可達(dá)十億個太陽質(zhì)量。銀河系中心和類星體中心的超級大黑洞。2.黑洞的碰撞和黑洞的蒸發(fā)早期宇宙物質(zhì)的分布相對集中，彼此之間相隔的距離不遠(yuǎn)，在各處飄蕩著的黑洞很有可能相互遭遇，導(dǎo)致兩個具有強大引力場的天體發(fā)生劇烈的碰撞，然后合而為一。在一些星系內(nèi)部，星系中心的強引力會使鄰近的恒星及星際物質(zhì)更加趨向中心，當(dāng)聚集在一起的質(zhì)量大到一定程度的時候，就會坍縮成黑洞。星系中心區(qū)域的一些大質(zhì)量恒星死亡后坍縮成小黑洞，它們有許多機(jī)會相互碰撞而形成更大的黑洞。2.1黑洞的碰撞：一般認(rèn)為，黑洞一旦形成就不會轉(zhuǎn)化為別的什么東西。黑洞的質(zhì)量只會因吸進(jìn)外界的物質(zhì)而增加，絕不會因逃脫物質(zhì)而減少。也就是說，按照經(jīng)典物理學(xué)，黑洞是不能向外發(fā)出輻射的。1974年霍金提出黑洞蒸發(fā)理論：按照量子力學(xué)，可以允許“粒子”從黑洞中逃逸出來。

2.2黑洞的蒸發(fā)：量子力學(xué)表明，整個空間充滿了“虛的”粒子反粒子對，它們不斷地成對產(chǎn)生、分開，然后又聚到一塊并互相湮滅。在黑洞存在的情形下，虛粒子對中的一個成員可以落到黑洞里去，留下來的另一個成員就失去可以與之相湮滅的配偶。這個被背棄的粒子或反粒子，可以跟隨其配偶落到黑洞中去，但是它也可以逃逸到無窮遠(yuǎn)去，作為從黑洞發(fā)出的輻射而存在。由于黑洞質(zhì)量越小，其引力場就越小，粒子逃逸的過程就變得越容易，因此黑洞粒子的發(fā)射率及其表面溫度就越大。黑洞向外輻射粒子導(dǎo)致黑洞質(zhì)量減小，進(jìn)一步導(dǎo)致了輻射速率和溫度的上升，因而黑洞的質(zhì)量就減小得更快。當(dāng)黑洞的質(zhì)量變得極小的時候，它將在一個巨大的、相當(dāng)于千百萬顆氫彈爆炸的發(fā)射中結(jié)束自己的歷史。白矮星：也稱簡并矮星，是一種由電子之間不相容原理排斥力所支持的穩(wěn)定恒星，由電子簡并物質(zhì)構(gòu)成的小恒星。3.黑洞的尋找特征：低光度、高密度、高溫度的晚期恒星，被認(rèn)為是低質(zhì)量恒星演化階段的最終產(chǎn)物。最早發(fā)現(xiàn)的白矮星：天狼星伴星形成過程：在紅巨星階段的末期，恒星的中心會因為溫度、壓力不足或者核融合達(dá)到鐵階段而停止產(chǎn)生能量，恒星外殼的重力會壓縮恒星產(chǎn)生一個高密度的天體。大部分恒星演化過程都包含白矮星階段。由于很多恒星會通過新星或者超新星爆發(fā)將外殼拋出，一些質(zhì)量略大的恒星也可能最終演化成白矮星。白矮星白矮星：恒星瀕臨死亡時生命形態(tài)

年輕白矮星固定軸環(huán)繞一對投石器白矮星吃彗星正在形成的白矮星

白矮星的內(nèi)部不再有物質(zhì)進(jìn)行核融合反應(yīng)，因此恒星不再有能量產(chǎn)生，也不再由核融合的熱來抵抗重力崩潰；它是由極端高密度的物質(zhì)產(chǎn)生的電子簡并壓力來支撐。物理學(xué)上，對一顆沒有自轉(zhuǎn)的白矮星，電子簡并壓力能夠支撐的最大質(zhì)量是1.4倍太陽質(zhì)量，也就是錢德拉塞卡極限。如果白矮星的質(zhì)量超過1.4倍太陽質(zhì)量，那么原子核之間的電荷斥力不足以對抗重力，電子會被壓入原子核而形成中子星。白矮星致密的球體擁有幾乎像太陽一樣的質(zhì)量，但是體積只有地球那么大。由于白矮星體內(nèi)已經(jīng)沒有什么燃料可以燃燒，因此它們通常只通過發(fā)射本身儲藏的熱量，發(fā)出非常微弱的光。白矮星被認(rèn)為是一顆恒星的生命終點，我們銀河鄰域的大部分恒星正在一步步邁進(jìn)這個階段，其中包括太陽，但是僅有大約3%的鄰域恒星的質(zhì)量足夠大，可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成超新星。中子星：又名波霎，是恒星演化到末期經(jīng)由重力崩潰發(fā)生超新星爆炸之后，可能成為的少數(shù)終點之一。即質(zhì)量沒有達(dá)到可以形成黑洞的恒星在壽命終結(jié)時塌縮形成的一種介于恒星和黑洞的星體，其密度比地球上任何物質(zhì)密度大相當(dāng)多倍。非常靠近地球的中子形成過程：恒星在核心的氫于核聚變反應(yīng)中耗盡，完全轉(zhuǎn)變成鐵時便無法從核聚變中獲得能量。失去熱輻射壓力支撐的外圍物質(zhì)受重力牽引會急速向核心墜落，有可能導(dǎo)致外殼的動能轉(zhuǎn)化為熱能向外爆發(fā)產(chǎn)生超新星爆炸，或者根據(jù)局恒星質(zhì)量的不同，整個恒星被壓縮成白矮星、中子星以至黑洞。望遠(yuǎn)鏡下的中子星中子星與白矮星的區(qū)別：白矮星的密度雖然大，但還在正常物質(zhì)結(jié)構(gòu)能達(dá)到的最大密度范圍內(nèi)：電子還是電子，原子核還是原子核；在中子星里，壓力是如此之大，白矮星中的簡并電子壓再也承受不起了：電子被壓縮到原子核中，同質(zhì)子中和為中子，使原子變得僅由中子組成。而整個中子星就是由這樣的原子核緊挨在一起形成的。可以這樣說，中子星就是一個巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。中子星的質(zhì)量非常大由于巨大的質(zhì)量就連光線都是呈拋物線掙脫。白矮星被壓縮成中子星的過程中恒星遭受劇烈的壓縮使其組成物質(zhì)中的電子并入質(zhì)子轉(zhuǎn)化成中子。密度：1011kg/cm3，為水的密度的一百萬倍。中子星是除黑洞外密度最大的星體，同黑洞一樣，也是20世紀(jì)60年代最重大的發(fā)現(xiàn)之一。根據(jù)科學(xué)家的計算，當(dāng)老年恒星的質(zhì)量大于十個太陽的質(zhì)量時，它就有可能最后變?yōu)橐活w中子星，而質(zhì)量小于十個太陽的恒星往往只能變化為一顆白矮星。黑洞與白矮星、中子星一樣，都是先有理論預(yù)言然后開始實際的尋找。隨著白矮星和中子星的相繼發(fā)現(xiàn)，尋找黑洞就成為天文學(xué)家需要解決的一個課題。雖然，黑洞并不發(fā)光，不能直接觀測到，但它與周圍物體有相互作用，所以天文學(xué)家還是可以利用多種間接的方法尋找黑洞。3.黑洞的尋找當(dāng)一顆超新星爆發(fā)時，恒星的核一般要塌縮成中子星，但如果這個核的質(zhì)量大于三個太陽，它就會變成黑洞了?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，尋找黑洞最好從X射線雙星著手。如果一個發(fā)射強大的X射線的雙星系統(tǒng)中有一顆子星看不見，又可根據(jù)另一顆可見子星的軌道運動估計出看不見的子星的質(zhì)量遠(yuǎn)大于中子星質(zhì)量的上限，那么這個發(fā)射X射線的天體不應(yīng)是中子星，很可能是黑洞。黑洞只有在靠近另外一顆恒星時才會被探測到。黑洞強大的引力將它附近恒星的氣流高速拉到自己身上，它就像一口無底的深井，吸著四周的一切。氣體向黑洞傾泄在黑洞周圍形成一個旋渦叫吸積盤。氣體間強烈的摩擦使旋轉(zhuǎn)的氣體變熱發(fā)出強光，最熱的部分達(dá)到1億攝氏度，這