浅谈黑洞的分类与形成机制

浅谈黑洞的分类与形成机制学生：杨亚鹏指导老师：孙艳军2015届物理学3班学号：201172010345摘要：黑洞是现代物理学和天文学中研究的一个热点。爱因斯坦的广义相对论认为，物质的存在会造成时空的弯曲，人们所说的万有引力就是时空弯曲的表现。在大质量天体存在之处，时空弯曲的非常厉害，它的几何性质会发生重要的变化。黑洞也是广义相对论预言的一种特殊的天体，其基本特征是有一个封闭的视界。任何东西，包括光在内，只要进入视界以内都会被吞噬掉。本文详细讨论了黑洞的概念、形成过程、种类和性质。关键词：暗星；逃逸；黑洞；引力塌缩；视界半径Abstract:Blackholeisahotspotinmodernphysicalandastronomicalresearch.Einstein'sgeneralrelativitybelievethatthepresenceofsubstancescancausebendingofspace-time,whichisthesocalledgravitation.Inthepresenceofmassivecelestialplace,thespace-timeisbentextremely,andimportantchangesinitsgeometricpropertieswilloccur.Ablackholeisaspecialkindofcelestialpredictionsofgeneralrelativity,withaclosedhorizonasitsbasiccharacteristics.Anythingjustgoingintothehorizon,includinglight,willbeswallowed.Thisthesisdiscussestheconcepts,theprocessoftheformation,thetypesandthecharacteristicsoftheBlackhole.Keywords:Thedarkstar;Escape;Blackhole;GravitationCollapse;HorizonRadius目录1、引言................................................................................................................................32、黑洞概念的引入............................................................................................................53、黑洞的形成机制............................................................................................................53.1、超大质量型黑洞.................................................................................................63.2、恒星型黑洞.........................................................................................................93.3、小型黑洞...........................................................................................................104、黑洞的分类..................................................................................................................114.1、史瓦西黑洞.......................................................................................................114.2、R-N黑洞...........................................................................................................124.3、克尔黑洞...........................................................................................................134.4、克尔-纽曼黑洞.................................................................................................135、关于黑洞的一些简单性质..........................................................................................145.1、黑洞的“无毛定理”.......................................................................................145.2、黑洞的“面积不减定理”...............................................................................145.3、黑洞的霍金辐射...............................................................................................155.4、黑洞寿命与质量的关系...................................................................................156、总结展望......................................................................................................................15参考文献............................................................................................................................17致谢....................................................................................................................................1831、引言拉普拉斯在1796年写道:“在宇宙中有很多的暗物质，大小与恒星一般，或者更像明星，质量、密度数量也像恒星那般多，质量和密度也是及其之大”[1]。我们都知道质量越大恒星的吸引力越大，米歇尔和拉普拉斯根据牛顿力学和粒子性预测了暗星的存在。从爱因斯坦的广义相对论来讲，万有引力不是真正的力，而是时空弯曲的表现，我们地球上也会有时空弯曲，可是引力微乎其微。奥本海默认为，当某个时空弯曲的非常厉害的时候，光线将不能从那个区域逃离出来，我们从远方的观测来看，由于光线的弯曲，这颗恒星就会隐藏起来，这就成为了我们看不到的暗星了。当然当这个恒星质量非常非常大的时候，那么它的引力也必然是特别的大，使进入它的光线都难以逃出，而且连自身辐射的射线也逃不出来，这样我们也是观测不到它的。如果我们从万有引力定律的角度去考虑的话。由万有引力定律可以知道，把一个物体从星球表面抛射到宇宙空间，需要有足够大的抛射速度。对于小质量的星体，这个速度不大。例如，对于火星的卫星火卫一，抛射速度只需5m/s。对于月亮，需要2.4km/s。对于地球或者密度更大的星球，物体从它表面逃离所需的速度就越大，当星球的密度大到一定程度，以至于逃离速度大于光速时，光子就不能再从星球表面逃离。它们会被星球的万有引力拉回去，远方的观测者也就不可能看见这颗星了。这样它也就成了我们所说的暗星了。从牛顿力学的能量理论我们可以很容易的算出这类暗星的形成条件。设光子质量为m，光速为c，星球的质量和半径分别为M和r。按照牛顿理论，从星球表面射出的光子的能量pE为221mcEp(1)势能为rGMmEv(2)4当它的动能小于势能时rGMmmv221(3)这样光子就不可能逃离星球。从上式可以算出暗星形成的条件22cGMr(4)这就是说，当一个星球的质量和半径之间满足上述关系时，这个星球发射的光将被万有引力拉回去，这颗星将成为一颗看不见的暗星。上式就是拉普拉斯等人给出的暗星条件。1915年爱因斯坦建立了广义相对论的引力场方程。几个月后，德国天文学家史瓦西找到了物质呈球对称分布的静态方程解。根据他的解，得出了与拉普拉斯相同的结论：在半径小于引力半径gR的范围内，物质将只进不出，形成黑洞[2]。广义相对论引力场方程的史瓦西解，只考虑了天体的质量M，这是最简单的一种情况。因此，与之对应的黑洞也是最简单的黑洞。继史瓦西之后，物理学家和数学家们又进行了不懈的努力，力图寻找引力场方程在更一般条件下的解。对应于这些解，导出了其他更复杂的黑洞模型。在1916年到1918年间，莱斯纳和诺兹特隆用球坐标找到了具有球对称质量并带有电荷的物体的引力场方程的解。1963年，克尔发现了一族描述具有质量M和角动量J的黑洞解，这类黑洞被称为旋转黑洞。本文我将分六章来讨论黑洞的有关内容，第一章引言；第二章着重介绍什么是黑洞，对黑洞的概念作以引入，让读者对黑洞有初步的了解；第三章介绍黑洞的形成机制，分别对超大质量黑洞、恒星型黑洞，小型黑洞的形成做详细的描述；第四章说明黑洞的分类，包括史瓦西黑洞、R-N黑洞、克尔黑洞、克尔-纽曼黑洞；第五章介绍黑洞的一些主要的特殊性质；最后一章是总结。52、黑洞概念的引入经典的黑洞模型是这样一个时空区域，在这个区域中的引力场如此之强，以至进人这个区域的任何物质都永远逃不出来。根据牛顿力学，具有一定半径的天体，其质量越大，逃逸这个天体所需要的速度也越大。如果天体的质量足够大，致使光线这样高速运动的物质也不能逃离的话，那么，这个天体就无法再发光，也就无从被人看到了。因此，早在1798年，法国的大数学家拉普拉斯就曾写道：“一个密度象地球，直径为太阳250倍的发光恒星，在其引力作用下，将不允许任何光线到达我们这儿。由于这个原因，宇宙中最亮的天体，对于我们来说可能是不可见的。”拉普拉斯还给出了一般关系，即：对于天体的任一质量M，有一个相应的长度gr，称为引力半径；当天体的半径r小于或等于引力半径gr时，则形成暗天体。实际上，这种暗天体就是最早的、牛顿力学的黑洞模型。只不过，它在以后的一百多年中没有引起人们的关注。1915年爱因斯坦建立了广义相对论的引力场方程。之后，德国天文学家史瓦西找到了物质呈球对称分布的静态方程解。根据他的解，得出了与拉普拉斯相同的结论：在半径小于引力半径gr的范围内，物质将只进不出，形成黑洞[3]。3、黑洞的形成机制要知道黑洞是怎样形成的，我们不得不事先对恒星的生命过程作一些了解。恒星靠引力诞生，同时也是引力导致恒星死亡。恒星是由最原始的、分散的星云物质在引力的作用下逐渐聚