天文漫谈期末论文黑洞Word格式文档下载.docx

1、史瓦西从“爱因斯坦引力方程”求得了类似拉普拉斯预言的结果，即一个天体的半径如果小于“史瓦西半径”，那么光线也无法逃脱它的引力。这个史瓦西半径的范围可以按照下式估算： 其中，没是天体质量，c是光速。如果通过适当选取质量、长度和时间的单位，可以使G和c都等于1，那么上式子还可以简化成 。史瓦西半径不是别的，正是按照牛顿引力计算表面逃逸速度达到光速的星体尺度。上述关于引力源的半径小于史瓦西半径时会产生奇异黑洞的说法，在很长一段时间里都曾经被认为是广义相对论的一个缺陷，于是黑洞研究的进展被阻碍了。直到50年代，理论家们才对史瓦西半径上的奇异性的解释获得共识。瓦西自己也并不知道，正是他为米切尔和拉普拉斯

2、那已被遗忘的关于黑洞的猜测打开了正确的理论通道。还有一些科学家，根据其它近代引力理论也做出了同样的预言。可见存在黑洞的预言是有不少理论根据的。按照这些理论，当保持太阳的质量不变，而将其压缩成半径3千米的球体时，它将变成一个黑洞；要想让地球也成为一个黑洞，就必须把它的半径压缩到不到1厘米！这从人们日常的经验来看，是不可想象的。然而，这种威力无比的“压缩机”在自然界的确存在，这就是天体的“自身引力”。天体一般存在“自身的向内引力”和“向外的辐射压力”。如果压力大于引力，天体就膨胀；引力大于压力，天体就收缩（坍缩）；如果二力相等，天体就处于平衡状态。对恒星而言，若其原来的质量大于8个太阳，则其引力坍

3、缩的结局最终就形成黑洞。自然界中不但存在形成黑洞的巨大压力，而且任何大质量的天体最终都逃脱不了这种坍缩的结局。史瓦西根据广义相对论预言的黑洞，其大小恰与米切尔和拉普拉斯猜想的基本一致。但是，严格说来，这两个理论在黑洞大小上的一致只是表面上的。按照牛顿理论，即使逃逸速度远大于3105kms，光仍然可以从星球表面射出到一定高度，然后再返回（正如我们总能把一只球从地面往上抛出而后只能落下）。而在广义相对论里来讲逃逸速度就是不正确的了，因为光根本不可能离开黑洞表面。黑洞的表面就像一只由光线织成的网，光线贴着表面环绕运行，但决不能逃出来，如果黑洞在自转，则捕获光的那个面与黑洞自身的表面是不相同的。借助于

4、逃逸速度来描述黑洞，虽然有一定的历史价值和启发作用，却是过于简单了。（3）奥本海默预言的黑洞1939年，奥本海默研究了中子星的特性后指出，如果中子星的质量超过3.2倍太阳的质量（更精细的模型给出的值在2-3之间），中子就无法与自身引力相抗衡，从而发生中子塌陷。这时没有任何力量能够抵挡住引力的作用，经过引力作用后的星核会形成一个奇异点，即没有体积只有大质量的高密度的点。奥本海默的理论预言主要建立在以下3个要点上：（1）自然界没有任何力能够支撑3倍以上太阳质量的“冷”物质，即已经停止热核反应的物质的引力坍缩。（2）许多已观测到的热恒星的质量远远超过3倍以上的太阳质量。（3）大质量恒星消耗其核燃料并

5、经历引力坍缩的时间尺度是几百万年，所以这样的过程已经在具有100亿年以上高龄的银河系里发生了。就像拉普拉斯推测的那样，这样的超中子星不会向外发光。它被描述成一个无限深的洞，任何落在它上面的物体都会被它吞没而不可能再出来，即使是光也不能逃出来。二 观测黑洞的方法黑洞是一种奇异的天体。“黑”字表明它不向外界发光，因此我们无法看到它；“洞”则意味着任何东西，包括光线一旦进入其边界就无法逃脱它的吸引，它活像一个有魔力的无底洞。黑洞之所以如此，是由于它具有极其强大的引力场，这个强大的引力场足以摧毁其内部的一切物质，扫去了一切复杂的物质结构，刮去了“毛发”，使结构极为简单，只剩下了它的质量、电荷及角动量，

6、知道了这三个参量，也就知道了它的一切。这就是著名的“黑洞无毛定理”。尽管我们看不到黑洞，但可以通过测量它对周围天体的作用力来观测或猜测到它的存在。利用黑洞产生的以下效应便可以实现此目的： 1.根据围绕黑洞飞行或正被旋入核心的天体估算出的质量 许多黑洞的四周都环绕着一些天体，通过观察这些天体的行为，可以推断出黑洞的存在。然后，使用所猜测黑洞四周的天体运动测量值便可以计算黑洞质量。 您要寻找的就是那些运动表现似乎受到周围巨大质量影响的星体或气盘。例如，倘若某个可见星体或气盘在不稳定地运动或旋转，但又找不到附近有导致这种运动的可见原因。并且这种不明因素产生了某种效应，而这种效应似乎是由质量比太阳大三

7、倍的天体（由于质量太大而不可能是中子星）造成的。那么，这种运动就有可能是黑洞导致的。然后，可以通过观测黑洞对可见天体产生的效应来估算黑洞质量。 2.引力透镜效应 爱因斯坦曾经在广义相对论中推测说引力能使空间弯曲。后来，在一次日食过程中，科学家通过测量某个恒星在日食发生前、发生期间和发生后的位置，证实了爱因斯坦的这一观点。该恒星发出的光线被太阳引力弯曲，因而位置发生了变化。这么看来，位于地球与遥远天体之间的具有强大引力的天体（如星系或黑洞），可以将遥远天体发出的光线折射成一个焦点，这与透镜的功能十分相似。 3.放射物 物质被吸引而落向黑洞，在尚未抵达其视界时，会释放大量的势能而辐射出强大的X射线

8、或 射线来，所以这些高能辐射也是搜索黑洞的重要线索。 三 黑洞的发现 （1）天鹅座X-1 距离我们最近的有可能为黑洞的天体，是所谓的天鹅座X-1。1966年，科学家发射的X射线探测器在天鹅座的位置相距我们10000光年的地方，探测到一个强的X射线源，将其命名为“天鹅座X-1”。1971年，X射线天文探测卫星“自由号”（即上文说到的“乌呼鲁”）记录到它的X射线广度的快速变化，并在多次观测的基础上证实：这是一个双星系统，看得见的那一颗是编号为HDE226868的光学可见恒星，这颗明亮恒星的光谱型表明它是一颗质量在25倍到40倍（有说是30倍）太阳质量之间的高温蓝色的超巨星；而看不见的伴星质量约为7

9、倍太阳，体积却非常小，是一颗处于天鹅座X-1位置的，不发光而放射出强烈X射线的奇异天体，它们在太空中互相围绕着旋转。据推测，这个奇异天体正在吸取可见星的气体物质，并将之加热到几百万K，于是成为X射线源。该奇异天体已经超过了黑洞质量的“理论界限”，大概就是一个黑洞。 当然，人们完全可以假定天鹅座X-1的奇异天体是一颗中子星，它小得无法看见，而且它的射电脉冲也不是朝着我们的方向。但情况不可能如此，因为一颗中子星的质量不会超过太阳质量的3.2倍。如果它更重的话，那么根据奥本海默的理论，其重力就会大得足以使它坍缩为一个黑洞。因此，天鹅座X-1奇异天体必定是一个黑洞。 然而来自伴星的物质被拉进黑洞时，沿

10、着螺旋线向它下落，就会释放引力势能而发出强X射线。同理，若是一颗中子星吸取其伴星的物质，也会发射出X射线来。但是中子星的引力场，不足以迫使物质沿螺旋线旋紧到发出 射线；而黑洞却拥有更强大的引力场，因而能够产生射线。所以，最好的区别它们的方法就是，在进行上述同样的过程中，黑洞除了发出X射线外还会发射出射线，而一颗中子星却不会，是 射线充当了裁判。 1976年11月美国发射的“高能天文台-2”号卫星，拍摄到了这颗黑洞周围星云的照片。后来发射的“高能天文台-3号”也一直在跟踪探测来自天鹅座X-1的X射线，并且也在探测射线。 射线与X射线相似，但其波长比X射线更短，能量比X射线更高。已观测到天鹅座X-

11、1发出的射线的能量要比发出的X射线的能量高千倍。 1988年初，位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气推进实验室的天文学家们观测到，天鹅座X-1的射线似乎来自一个直径仅约520多千米的小区域，那里必定存在着温度高达几十亿摄氏度的气体。在如此高温下，这种气体将产生电子-正电子对，它们彼此湮灭而产生出很强的射线。 根据上述种种理由，人们认为天鹅座X-1是第一个可能的黑洞。（2）LMC X-3第二个可能的黑洞是在银河系附近的“大麦哲伦云”星系中发现的。大麦哲伦云是最邻近的两个河外星系之一，在南半球能用肉眼看到，得名于首先把它记在航海日志上的著名葡萄牙探险家麦哲伦。天文学家确认，这个星系的X射线源LMC X

12、-3是一颗质量约为10个（有说6-14个）太阳的看不见的星体，它与另一颗光亮的星组成一个双星系统，光亮的伴星是高温蓝色巨星，由光谱型估计其质量约在4到8倍太阳质量之间，而这颗致密暗星就是第二个可能的黑洞。由于根据大麦哲伦云到我们的距离是17万光年而估算出LMCX-3的最低质量为6倍太阳，所以它甚至比天鹅座X-l更为可信地是一个黑洞。（3）麒麟座X射线新星A0620001986年1月，在美国天文学会的休斯敦会议上，麦克林托克和雷米拉德宣布，他们发现了麒麟座X射线源A062000，它的质量至少是太阳质量的3倍，是目前发现的离地球最近的可能黑洞，也是被发现的第三个可能的黑洞。它在距我们约3000光年

13、以外，是一个“小质量双星”亚型的X射线源，它的那颗非致密子星是质量小于太阳的矮星。目前，已得到非致密子星光学认证的小质量X射线双星系统大约有40个，但对于其中大多数情况，由于X射线辐射太强，光学谱被淹没，因而不能确定轨道参量和非致密子星的精细性质。幸运的是，A0620-00在处于宁静态时辐射比较弱，不会掩盖其伴星的可见光辐射，于是光学谱就得以测量，并且确实给出一个周期为7.75小时的光谱双星系统。由此得出A062000的质量最少有3.2倍太阳（假定轨道倾角为最不利的情况），也很可能超过7倍太阳质量。A062000系统最引人注意的性质是其尺度。有的天文学家（尤其是它的发现者）认为A0620-00

14、是最好的黑洞候选者。甚至可以说它是第一个被发现的黑洞，因为在一张1917年拍摄的麒麟座照片里找到了它，那时它正处在一场光学爆发之中，因而被归人了新星的范畴。按照有关专家的估计，在过去一百亿年中，银河系里平均每100年就有一颗超新星爆发，而每100颗超新星中就有一颗导致黑洞形成，那么银河系里就应该有100万个恒星级黑洞。可是在双星X射线源中迄今也只找到3个可能的黑洞，这似乎颇令人失望。事实上还有几个源中也可能有黑洞，但误差较大，以至于还不那么肯定。（4） 银河系的IE1704.7-2942和SS433前苏联的“格拉纳”卫星上的法国望远镜“西格玛”（Sigma），在1990年春天发现了一个较强的X

15、射线和射线源，看来它处在距银河系中心300光年之内。这个源暂时的名称IE1704.7-2942，它被许多人看作是第四个恒星级黑洞。“西格玛”还探测到该源的一阵反物质爆发，以大量电子和正电子湮灭的形式出现。按照一些高能天体物理学家的观点，只有黑洞周围才具备产生大量正电子的极端物理条件。当然也还有这样的星，它们不属于X射线双星范畴，但也可能是黑洞，尽管这很难证实。仙后座A是天空中最明亮的射电源之一，并与一个超新星遗迹有联系，它的爆发大约是在1670年，但不如预期的那么明亮。这个超新星遗迹并不包含有脉冲星或X射线源，所以它有可能在爆发前是一颗质量非常大的恒星，爆发后核心直接坍缩成了黑洞，使得它不能变

16、成很亮的超新星。（5）遥远星系（M87）的中心黑洞美国天文学会在上世纪90年代的一次会议上，公布了1994年哈勃太空望远镜拍摄的壮观的射线照片，证实在一个遥远的椭圆星系M87的核心，有一个巨大的致密核心正把星体吸进去，喷发出由辐射与热气组成的湍流。M87的特征是在核心处有异常的亮度分布，有一个像点那样的距地球约5200万光年的亮光源，颜色较蓝，弥散速度也较大，这些都与黑洞模型相符合。在这里，可能存在着质量为9109太阳质量的超级大黑洞。照片显示，一团灼热的气体正围绕着M87这个椭圆星系的中心在旋转，从中心体发出的高能喷流清晰可见，据判断这些喷流是由快速移动的电荷和小到10光年的亮结组成的。M8

17、7 是6个已经发现的巨型黑洞的候选者之一，它位于室女座（Virgo）内。（6）人马座的银心黑洞科学家很早就开始猜测，银河系的中央是一个黑洞，但一直苦于没有证据来证实这个理论。2002年，美国加利福尼亚大学的宇宙学家在自然周刊上公布了有关银心可能存在黑洞的消息，该黑洞的体积大约是太阳的260万倍，直径大约比地球轨道直径小10倍，银河系的其他恒星围绕该黑洞循环周转，构成巨大的圆盘形。他们从拍摄的星图分析发现，在那个区域中，恒星的运行速度都明显加快，表明它们是被拉向某种引力场极大的物质，而那个物质极可能是黑洞。他们还根据夏威夷的天文望远镜所拍摄的照片，将该黑洞定位在人马座A（Sgr A）的地方。这黑

18、洞是一个强烈的射电和X射线源，离地球约有26000光年的距离。欧洲南方天文台用一架8.2m口径的Kueyen望远镜进行的最新研究结果表明，银心黑洞的质量可能要更大些，大约为太阳的320万400万倍。这一质量是在观察围绕黑洞旋转的恒星的基础上，由来自加利福尼亚大学伯克利分校和加利福尼亚大学洛杉矶分校两组专家独立计算出来的。此外，加州大学伯克利分校专家小组还十分准确地测定了黑洞围绕自身轴的旋转速度，它作一次完整旋转的时间约为11分钟，作为比较，地球围绕自身轴旋转一周的时间为24小时，而太阳的自转周期约为1个月。黑洞候选者一个个地发现，可以说硕果累累。然而，科学家们也还不能完全排除这些候选者不是黑洞

19、的可四 黑洞分类（1）史瓦西黑洞自从史瓦西给出了爱因斯坦场方程的解以后，许多种类的黑洞模型先后被科学家从爱因斯坦场方程的框架下产生出来，所提出的黑洞类型，俨然形成了一个黑洞家族。其中，最为寻常的是史瓦西黑洞，它是被研究讨论的首要成员。史瓦西黑洞就是所谓“寻常黑洞”，它是直接由较大的恒星演化而来的。恒星到晚期时核燃料消耗殆尽，辐射压（光压）急剧减弱，星体在其自身引力的作用下坍缩。若质量（指原恒星的质量）大于8倍的太阳，其产物就是黑洞。在宇宙空间里，此类黑洞具多数，其最大质量一般不超过50倍太阳。从数学上来说，史瓦西黑洞就是其外部的引力场符合史瓦西解的黑洞。史瓦西研究的是在绝对真空中完全球对称的，

20、在塌缩过程中没有丝毫物质异动，不带电荷，没有丝毫旋转的，标准理想化恒星的塌缩过程，以及它内外时空的场方程解。史瓦西黑洞，是寻常黑洞的发祥地，它有一个视界和一个奇点。视界，是物体能否回到外部宇宙的分界面，在视界外面，物体可以离开或者接近黑洞而保持安全。而在视界上，只有光速运动的物体可以保持不进入黑洞，但是连光也无法从这个面中逃脱。如果不幸进入了视界内部，那么就再也无法出来或者和任何人联络了。此外，视界也是时间和空间属性颠倒的地方，在视界内，空间是类时的，时间是类空的。奇点，是黑洞奇异性的来源，也就是黑洞中允许相对论和量子理论同时大规模作用于同一个物体的源泉。任何接触到奇点的物质（包括场）必然被奇

21、点摧毁，被分解为纯粹的基本粒子和时空单体，即使是形成这个黑洞、这个视界、这个奇点的恒星，也将被它摧毁而不再对黑洞产生任何影响。（2）克尔黑洞及纽曼黑洞克尔在史瓦西解的基础上，让这个黑洞模型旋转起来，从而得到了克尔解所描述的黑洞。别小看这个旋转，在黑洞强大的引力下，不仅仅要考虑旋转引起的离心现象，还要考虑黑洞对外部时空的拖曳、对内部时空的扰动，以及相应的黑洞结构的改变和从而产生的影响。因此，克尔黑洞的结构比史瓦西黑洞复杂了许多。在克尔黑洞的最外层，由于旋转会产生对周围时空的拖曳效应（伦斯梯林效应），存在着一个判断物体是否可以静止于时空中的静止界面。静止界面外的物体，可以通过推进器等装置在被拖曳的

22、时空旋涡中相对于极远处的观测者静止不动，而在静止界面内，可以断定，物体一定会被黑洞的强大引力拖动，开始旋转。在这个界面内部，和史瓦西黑洞一样存在着视界，但是要比史瓦西视界更加复杂，因为在这里，视界分为两个：内视界和外视界。外视界是物体能否与外界通讯的分界面，而内视界是奇点的奇异性质能否影响外界的分界面。也就是说，进入外视界的物体，必定会被吸入奇点，然后被摧毁，但是还可以在达到内视界以前享受一段相对“安宁”的日子，而一旦进入了内视界，那么任何物体都会在内视界中奇点奇异性质的面前屈服，在达到奇点以前便被摧残殆尽。在外视界和静止界面之间，有一个相对十分广阔的区域，叫“能层”。在能层中蕴藏着黑洞旋转时

23、的旋转能。从理论上，可以在静止界面外建立一个空间站，然后利用抛物投射来提取黑洞的旋转能，得到几乎无穷尽的能源。此外，在能层中，由于黑洞旋转带来的拖曳会将时空撕裂，从而产生穿越时空的虫洞。在内视界内部，和史瓦西黑洞一样有一个奇异性质汇聚的地方，但是不像史瓦西黑洞那样是一个奇点，而是一个独特的奇异环，一个充满了量子效应奇异性质的面，安静地平躺在黑洞赤道面上。在克尔成功之前，雷斯勒和诺斯特朗姆分别独立地发现了带电的史瓦西黑洞解，提出了雷斯勒诺斯特朗姆黑洞模型（以下简称为RN黑洞）。但是由于种种原因，他们的工作没有得到像史瓦西黑洞和克尔黑洞这样的重视。直到纽曼将爱因斯坦场方程的克尔解和雷斯勒诺斯特朗姆

24、解融合在一起，在量子理论全面介入黑洞研究领域以前，即得到了一个描述黑洞的、符合自然的爱因斯坦场方程的完整解纽曼黑洞。（3）超级大黑洞一些大黑洞的质量可以达到10 106个太阳，而最近发表的消息表明，已经探测到了质量可达到30亿倍太阳的超大黑洞。什么过程能够产生出如此巨大的黑洞呢？已经知道3种这样的过程。第一种是早期宇宙中团块的凝缩；第二种是由于作为黑洞特征性质之一的质量不可逆增长的趋向（对现在的情况，微型黑洞的量子蒸发当然完全可以忽略），条件是周围环境的物质足够丰富，因而一个由超新星产生的初始质量为10倍太阳质量的“恒星级种子”能够长成巨型黑洞；第三种则是由恒星团的引力坍缩而直接形成。除了可能

25、的原初起源之外，巨型黑洞的形成需要大量的以恒星或星际气体形式存在的物质，还需要这些物质被限制在一个足够小的区域内，因而其演化过程是由引力支配的。宇宙中物质在星系里的集中程度远胜于星系际空间（至少能发光的物质是如此），而星系内物质最集中的部分是其核心。假若有巨型黑洞，则星系核心是首先应该搜寻的好去处。多年来，无人能确定活跃星系中间是否真的有超级黑洞。于是，在寻找超级黑洞之前，首先要证明它的存在。1983年，一位名叫阿伦德雷斯勒的天文学家来到美国加州的帕罗玛太空望远镜基地，他相信自己已经找到了一种能证明超级黑洞存在的方法。他认为，如果存在黑洞，其引力必定会对附近经过的恒星造成影响，超级黑洞的巨大引

26、力一定会将环绕黑洞运行的恒星加速至超过5105kmh（h-小时）。这样，通过测量恒星的移动速度，就能知道在活跃星系中心是否存在黑洞。德雷斯勒选择了“NGCl068”活跃星系作为研究对象，为查明“NGCl068”中的恒星是否移动得很快，就需要与没有黑洞的星系中的恒星运动速度进行比较。没有黑洞的星系中心引力较弱，所以环绕无黑洞星系中心运动的恒星速度就较慢。德雷斯勒选择了与地球所在的银河系相邻的 “仙女座”，它和银河系一样，都具有一个不活跃的中心。为测量这两种星系中恒星的速度，他使用了一种叫做“分光镜”的仪器。当恒星环绕星系中心运动时，“分光镜”的镜头中，星系是一条白色的带子，而恒星围绕星系中心的运

27、动则由一条暗色的垂直线来跟踪。假如恒星的运动很慢，则暗线不会显示出什么改变；反之，如果恒星的运动速度很快，暗线就会呈现出很陡然的改变。在接下来的连续数个夜晚，德雷斯勒分别测量了“NGC1068”和仙女座中的恒星的运动速度。望远镜观察的结果，简直出乎他的意料。尽管他对活跃的“NGC1068”中心存在有黑洞的信心十足，但可惜的是，来自那里的图像根本无法辨别。原因很简单“NGC1068”实在是太遥远了，望远镜根本无法拍下它的清晰图像。可是，当他把目光转向仙女座时，这个他原本以为很平静的星系，却令他大吃一惊。分光镜中的图像显示，围绕仙女座中心运动的恒星速度竟然接近150km/s，达到5105kmh。对

28、此，只可能有一种解释：仙女座中央存在着超级黑洞。无独有偶，另一位天文学家几乎在同时也有了同样的发现。 这两位科学家所发现的，正是自然界最可怕的力量超级黑洞存在的证据。银河系以外的其它大星系的中心，都有可能存在着超大黑洞。（4）原始黑洞原始黑洞是由霍金提出来的。20世纪70年代霍金将量子理论用于宇宙的创生，创立了“量子宇宙学”，提出了“各种形状和尺度的黑洞都可以在宇宙早期形成”的说法。宇宙大爆炸的巨大冲击力，甚至可以将物质挤压成体积比原子还小的微型黑洞，它们中有的至今依然在宇宙空间飘荡。文献和报道中提到的“微型黑洞”其实有两种，一种是霍金提出来的微型黑洞，它就是体积比原子还小的微小体积黑洞；另一

29、种则是特罗缅柯等人提出来的质量10微克左右，到处都有的“微小质量黑洞”，它就是质量小到10微克左右的微型黑洞。为了分清这两个概念，本书特称霍金的“原始微型黑洞”称为“小黑洞”或“原始小黑洞”，称特罗缅柯的10微克左右的“微小质量黑洞”为“微型黑洞”。 （1）. 原始黑洞的来源 150亿年前，刚刚生成的宇宙并不是一锅均匀平静的“汤”，由于微小涨落的激发，物质在自身引力作用下趋于聚集成团块。某些涨落不仅能够增长，而且可以与整体膨胀相脱离。在凝聚过程中，团块相对于周围环境的密度比，将无限制地增大。由于原初的宇宙，物质密度很大，这种密度比就很小，即使团块总质量已有几百倍太阳，其密度比也不超过（1+10-3）：1。今天，对同样的团块质量而言，密度比依然已在105：1以上；而太阳型恒星与星际介质的密度比更大，达到1030：原初宇宙中那些大幅度的涨落会使质量比星系小得多的物质首先凝聚成由引力控制的物体。正是引人这样一种机制，史蒂芬霍金于1971年创建了原始黑洞的概念。那种由恒星坍缩而形成的黑洞质量在3.5倍太阳的量级，对原初黑洞是没有意义的，各种形状和尺度的黑洞都可以在宇宙早期形成，尤其是大小如基本粒子的原始微型黑洞。这就是原始黑洞的来源。 （2）. 原始黑洞的发射效应与吸积效应 霍金从理论上证明了原始黑洞通过所谓“隧道效应”可以放射出物质和辐射，特别