广义相对论的黑洞

现代天文学第十讲黑洞北京大学天文系吴鑫基一，黑洞概念的提出二，各种黑洞三，寻找黑洞1，第二宇宙速度(逃逸速度)根据动能(mv2/2)引力势能(GMm/R)导出•R愈小，M愈大，逃逸速度愈大；•逃逸速度达光速，光不能离开，形成黑洞；•地球半径压缩到0.9厘米，就形成黑洞；RGMv2一，黑洞概念的提出•1795年，拉普拉斯预言：“一个密度和地球一样而直径为太阳的250倍的发光恒星，引力将不允许任何光线离开它，不能被我们看见。”称这种天体为“黑暗的一团”。•1783年英国牧师、地质学家约翰·米歇尔还早于拉普拉斯提出几乎一样的看法。2，黑洞的预言广义相对论G=8πT张量3,广义相对论关于黑洞的概念弯曲时空＝物质的能量动量•物质告诉时空怎么弯曲；•时空告诉物质怎么运动。比喻时空弯曲的例子•原来平直，因中间放了一个铅球而弯曲•放一个小球在上面，它会滚入中央的铅球处。若小球有横向速度，将绕铅球转起来。牛顿：铅球的万有引力吸引了小球；爱因斯坦：由于铅球的存在使空间弯曲了，小球并未受到任何力，只在弯曲空间作自由（惯性）运动。广义相对论的三大预言•爱因斯坦场方程，很复杂，由10个方程组组成，非常难解。•近似解给出三大预言：1，光线偏折(时空弯曲）；2，引力红移（时空弯曲处，时间会变慢）；3，轨道进动；广义相对论的黑洞•质量一定的恒星，其半径越小，对周围时空弯曲作用越大。半径小到一定程度后，朝某些角度发光就将沿弯曲空间返回恒星表面。这就是黑洞。•超新星爆发后，形成的中子星的质量超过2个～2个太阳质量引力仍大于简并中子气压，继续塌缩，形成黑洞。•最简单：不旋转，不带电,仅有质量参数；•垂直于表面发射的光都被捕获处的半径，表示黑洞的半径Rs=2GM/c2•算出：太阳的史瓦西半径为3千米，地球仅为0.9厘米。与由牛顿力学推导出的公式所给出的估计是一致的。1,史瓦西黑洞（球形黑洞）二，各种黑洞视界：史瓦西半径是黑洞的边界。物质（包括光）一旦落入视界之内，就再也不能逃出视界。中心奇点：黑洞除中心有物质以外，其它地方空无一物，中心点的物质密度、引力都是无穷大，故称奇点。黑洞对外界光线的影响飞船靠近黑洞表面•地球上看：飞船越趋近黑洞，走得越慢；飞船发出的光线的频率越来越长，飞船变得越来越红，越来越暗，逐渐冻结在黑洞的表面上，消失在黑暗中。•飞船上：除了潮汐力不断加大之外，感觉不到任何异常，并将进入黑洞。当然，强大的潮汐力可能将飞船和宇航员撕裂。•黑洞有自转，偏离球形而成椭球体。•旋转黑洞有两个参量：质量和角动量。•旋动黑洞的周围就像宇宙中的一个引力大旋涡，旋涡中心是黑洞，在旋涡附近的物体都会吸向旋涡中心。2，克尔旋转黑洞不再是中心的奇点，而是一个平躺在赤道面上的奇异环。进入克尔黑洞的飞船只要不进入奇异环所在的赤道面，飞船可以在其附近自由飞翔。黑洞的质量没有上限。特大质量的黑洞形成途径：•比较大的恒星级黑洞逐步吞食附近的物质形成；•恒星集团的引力坍缩而形成；•宇宙早期形成的大大小小质量的黑洞，包括特大质量的原初黑洞。3，特大质量黑洞史蒂芬·威廉·霍金•1942年生，17岁上牛津大学，后到剑桥大学读博士。•21岁得了帕金森氏病，面临“早逝”的危险，他才开始学天文学。1970年，完全被禁锢在轮椅上，头也抬不起来，失去了说话的能力。继续天文学的研究。4，霍金的量子黑洞•黑洞是一个绝对的吸收体，它只可能与外界发生单向的物质与质量的传递。•霍金说：黑洞不黑，黑洞可能辐射能量，可能发射粒子。但仅对微型黑洞有效。黑洞不黑•黑洞因捕获负粒子而损失能量，相当于黑洞发射的辐射。辐射为热谱。质量越大温度越低，质量10亿吨的微黑洞，有一千二百多亿度的高温，辐射很强。黑洞蒸发•如果有电场存在：当一对正负电子在真空中出现，它们会被电场沿相反方向分离，就不能再碰撞和湮灭。•微型黑洞的强引力场，相当于电场的作用。•导致正反粒子会分离一段很短的时间。正粒子或反粒子都有可能掉入黑洞，其中反粒子掉入的可能性大一些，因此在黑洞视界外就有一些正粒子，相当于黑洞发射了正粒子。黑洞在蒸发，发出粒子流。微型黑洞•在宇宙的初始时刻或在超新星爆发时，有可能形成微型黑洞。其质量相当于一座山，尺度如同一个基本粒子。•质量为100万吨的黑洞，黑洞半径只有质子大，能维持10年。黑洞的寿命与其质量的立方成正比。1、双星中黑洞的搜寻•黑洞虽不发光，但它在引力依然存在。•根据双星运动估计出看不见的天体的质量，如果大于3个太阳质量，就可能是黑洞。•黑洞把周围的物质吸入的过程中，会发出强烈X射线辐射。这也是一个重要判据。三，寻找黑洞有很强X射线辐射，伴星是质量约25－40个太阳质量的蓝巨星，轨道周期为5.6天，X射线源约为7个太阳质量，超过中子星质量上限，是比较公认的黑洞的候选者。VCD黑洞恒星级黑洞候选者－－天鹅座X－1示意图•光学观测，银河系中心是漆黑一团。•射电观测发现强源人马座SgrA，由东西两个源组成。•西边的又叫SgrA*，有红外和X射线辐射。•天文学家把SgrA*定义为银河系的中心,并认为它可能是一个黑洞。2，银河系中心的特大黑洞•近红外观测：SgrA*和一颗年轻恒星组成双星系统，轨道周期15.56年。•估计出SgrA*有4百万个太阳的质量。史瓦西半径为0.08天文单位。黑洞的角径为10微角秒。•这是离我们最近、最强、角径最大的一个超大质量黑洞候选者。双星系统的确认•黑洞有一个5倍史瓦西半径大小的阴影区，对SgrA*来说，阴影区约为45.48微角秒。黑洞周围的辐射区应该与此相当。•要判断SgrA*是不是黑洞，就要测出它的大小，越接近阴影区，越可能。•沈志强用甚长基线干涉阵（VLBA）3.5毫米，获得SgrA*的观测结果，揭示出椭圆状视结构，其尺度仅比黑洞阴影大2.6倍。SgrA*是否为大质量黑洞？图上部是用VLBA在五个波长(0.7,1.35,2.0,3.6和6.0厘米)的准同时观测的SgrA*的图像，其尺度随波长的变化。图下部是一个点源因星际介质散射引起放大图象，更短波长观测将可能获得其真实结构。SgrA*的VLBA多波段观测•2002年，实现3.5毫米波段的VLBA观测;•揭示椭圆状视结构，沿东西方向的固有大小在1个天文单位以内。•只比黑洞的史瓦西半径的13倍，比黑洞阴影大2.6倍。•比红外观测确定的大小要小1600倍。3.5毫米波段的VLBA的观测