廣義相對(duì)論的黑洞PPT課件

1、一，黑洞概念的提出一，黑洞概念的提出 二，各種黑洞二，各種黑洞 三，尋找黑洞三，尋找黑洞 第1頁(yè)/共26頁(yè)1 1，第二宇宙速度，第二宇宙速度( (逃逸速度逃逸速度) ) 根據(jù)動(dòng)能(mv2/2)引力勢(shì)能(GMm/R)導(dǎo)出 R愈小，M愈大，逃逸速度愈大； 逃逸速度達(dá)光速，光不能離開(kāi)，形成黑洞； 地球半徑壓縮到0.9厘米，就形成黑洞；RGMv2一，一，黑洞概念的提出黑洞概念的提出第2頁(yè)/共26頁(yè) 1795年，拉普拉斯預(yù)言：“一個(gè)密度和地球一樣而直徑為太陽(yáng)的250倍的發(fā)光恒星，引力將不允許任何光線離開(kāi)它，不能被我們看見(jiàn)?！?稱(chēng)這種天體為“黑暗的一團(tuán)”。 1783年英國(guó)牧師、地質(zhì)學(xué)家約翰米歇爾還早于拉普

2、拉斯提出幾乎一樣的看法。2 2，黑洞的預(yù)言，黑洞的預(yù)言第3頁(yè)/共26頁(yè) 廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論 G=8G=8T T 張量張量3,3,廣義相對(duì)論關(guān)于黑洞的概念廣義相對(duì)論關(guān)于黑洞的概念彎曲時(shí)空物質(zhì)的能量動(dòng)量彎曲時(shí)空物質(zhì)的能量動(dòng)量 物質(zhì)告訴時(shí)空怎么彎物質(zhì)告訴時(shí)空怎么彎曲；曲； 時(shí)空告訴物質(zhì)怎么運(yùn)時(shí)空告訴物質(zhì)怎么運(yùn)動(dòng)。動(dòng)。第4頁(yè)/共26頁(yè)比喻時(shí)空彎曲的例子比喻時(shí)空彎曲的例子 原來(lái)平直，因中間放了一個(gè)鉛球而彎曲 放一個(gè)小球在上面，它會(huì)滾入中央的鉛球處。若小球有橫向速度，將繞鉛球轉(zhuǎn)起來(lái)。牛頓：牛頓：鉛球的萬(wàn)有引力吸引了小球；愛(ài)因斯坦：愛(ài)因斯坦：由于鉛球的存在使空間彎曲了，小球并未受到任何力，只在彎曲空間作自

3、由（慣性）運(yùn)動(dòng)。第5頁(yè)/共26頁(yè)廣義相對(duì)論的三大預(yù)言廣義相對(duì)論的三大預(yù)言 愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程，很復(fù)雜，由10個(gè)方程組組成，非常難解。 近似解給出三大預(yù)言：1，光線偏折 (時(shí)空彎曲）；2，引力紅移 （時(shí)空彎曲處， 時(shí)間會(huì)變慢）；3，軌道進(jìn)動(dòng)；第6頁(yè)/共26頁(yè)廣義相對(duì)論的黑洞廣義相對(duì)論的黑洞 質(zhì)量一定的恒星，其半徑越小，對(duì)周?chē)鷷r(shí)空彎曲作用越大。半徑小到一定程度后，朝某些角度發(fā)光就將沿彎曲空間返回恒星表面。這就是黑洞黑洞。 超新星爆發(fā)后，形成的中子星的質(zhì)量超過(guò)2個(gè)2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量引力仍大于簡(jiǎn)并中子氣壓，繼續(xù)塌縮，形成黑洞。 第7頁(yè)/共26頁(yè) 最簡(jiǎn)單：不旋轉(zhuǎn)，不帶電,僅有質(zhì)量參數(shù)； 垂直于表面發(fā)射的光都被捕獲

4、處的半徑，表示黑洞的半徑 R Rs s=2GM/c=2GM/c2 2 算出：太陽(yáng)的史瓦西半徑為3千米，地球僅為0.9厘米。與由牛頓力學(xué)推導(dǎo)出的公式所給出的估計(jì)是一致的。1,1,史瓦西黑洞（球形黑洞）史瓦西黑洞（球形黑洞）二，各種黑洞二，各種黑洞第8頁(yè)/共26頁(yè)視界視界：史瓦西半徑是黑洞的邊界。物質(zhì)（包括光）一旦落入視界之內(nèi)，就再也不能逃出視界。中心奇點(diǎn)中心奇點(diǎn)：黑洞除中心有物質(zhì)以外，其它地方空無(wú)一物，中心點(diǎn)的物質(zhì)密度、引力都是無(wú)窮大，故稱(chēng)奇點(diǎn)。第9頁(yè)/共26頁(yè)黑洞對(duì)外界光線的影響黑洞對(duì)外界光線的影響第10頁(yè)/共26頁(yè)飛船靠近黑洞表面飛船靠近黑洞表面 地球上看：飛船越趨近黑洞，走得越慢；飛船發(fā)出

5、的光線的頻率越來(lái)越長(zhǎng)，飛船變得越來(lái)越紅，越來(lái)越暗，逐漸凍結(jié)在黑洞的表面上，消失在黑暗中。 飛船上：除了潮汐力不斷加大之外，感覺(jué)不到任何異常，并將進(jìn)入黑洞。當(dāng)然，強(qiáng)大的潮汐力可能將飛船和宇航員撕裂。第11頁(yè)/共26頁(yè) 黑洞有自轉(zhuǎn)，偏離球形而成橢球體。 旋轉(zhuǎn)黑洞有兩個(gè)參量：質(zhì)量和角動(dòng)量。 旋動(dòng)黑洞的周?chē)拖裼钪嬷械囊粋€(gè)引力大旋渦，旋渦中心是黑洞，在旋渦附近的物體都會(huì)吸向旋渦中心。2 2，克爾旋轉(zhuǎn)黑洞，克爾旋轉(zhuǎn)黑洞第12頁(yè)/共26頁(yè) 不再是中心的奇點(diǎn)，而是一個(gè)平躺在赤道面上的奇異環(huán)。進(jìn)入克爾黑洞的飛船只要不進(jìn)入奇異環(huán)所在的赤道面，飛船可以在其附近自由飛翔。第13頁(yè)/共26頁(yè) 黑洞的質(zhì)量沒(méi)有上限。特大

6、質(zhì)量的黑洞形成途徑： 比較大的恒星級(jí)黑洞逐步吞食附近的物質(zhì)形成； 恒星集團(tuán)的引力坍縮而形成； 宇宙早期形成的大大小小質(zhì)量的黑洞，包括特大質(zhì)量的原初黑洞。3 3，特大質(zhì)量黑洞，特大質(zhì)量黑洞第14頁(yè)/共26頁(yè)史蒂芬史蒂芬威廉威廉霍金霍金 1942年生，17歲上牛津大學(xué)，后到劍橋大學(xué)讀博士。 21歲得了帕金森氏病，面臨“早逝”的危險(xiǎn)，他才開(kāi)始學(xué)天文學(xué)。1970年，完全被禁錮在輪椅上，頭也抬不起來(lái)，失去了說(shuō)話的能力。繼續(xù)天文學(xué)的研究。4 4，霍金的量子黑洞，霍金的量子黑洞第15頁(yè)/共26頁(yè) 黑洞是一個(gè)絕對(duì)的吸收體，它只可能與外界發(fā)生單向的物質(zhì)與質(zhì)量的傳遞。 霍金說(shuō)：黑洞不黑，黑洞可能輻射能量，可能發(fā)射

7、粒子。但僅對(duì)微型黑洞有效。黑洞不黑黑洞不黑 黑洞因捕獲負(fù)粒子而損失能量，相當(dāng)于黑洞發(fā)射的輻射。輻射為熱譜。質(zhì)量越大溫度越低，質(zhì)量10億噸的微黑洞，有一千二百多億度的高溫，輻射很強(qiáng)。第16頁(yè)/共26頁(yè)黑洞蒸發(fā)黑洞蒸發(fā) 如果有電場(chǎng)存在：當(dāng)一對(duì)正負(fù)電子在真空中出現(xiàn)，它們會(huì)被電場(chǎng)沿相反方向分離，就不能再碰撞和湮滅。 微型黑洞的強(qiáng)引力場(chǎng)，相當(dāng)于電場(chǎng)的作用。 導(dǎo)致正反粒子會(huì)分離一段很短的時(shí)間。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，因此在黑洞視界外就有一些正粒子，相當(dāng)于黑洞發(fā)射了正粒子。黑洞在蒸發(fā)，發(fā)出粒子流。第17頁(yè)/共26頁(yè)微型黑洞微型黑洞 在宇宙的初始時(shí)刻或在超新星爆發(fā)時(shí)，有可

8、能形成微型黑洞。其質(zhì)量相當(dāng)于一座山，尺度如同一個(gè)基本粒子。 質(zhì)量為100萬(wàn)噸的黑洞，黑洞半徑只有質(zhì)子大，能維持10年。黑洞的壽命與其質(zhì)量的立方成正比。第18頁(yè)/共26頁(yè)1 1、雙星中黑洞的搜尋、雙星中黑洞的搜尋 黑洞雖不發(fā)光，但它在引力依然存在。 根據(jù)雙星運(yùn)動(dòng)估計(jì)出看不見(jiàn)的天體的質(zhì)量，如果大于3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，就可能是黑洞。 黑洞把周?chē)奈镔|(zhì)吸入的過(guò)程中，會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈X射線輻射。這也是一個(gè)重要判據(jù)。三，尋找黑洞三，尋找黑洞第19頁(yè)/共26頁(yè) 有很強(qiáng)X射線輻射，伴星是質(zhì)量約2540個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的藍(lán)巨星，軌道周期為5.6天，X射線源約為7個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，超過(guò)中子星質(zhì)量上限，是比較公認(rèn)的黑洞的候選者。 VCD黑

9、洞恒星級(jí)黑洞恒星級(jí)黑洞候選者候選者天鵝座天鵝座X X1 1示意圖示意圖第20頁(yè)/共26頁(yè) 光學(xué)觀測(cè)，銀河系中心是漆黑一團(tuán)。 射電觀測(cè)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)源人馬座SgrA，由東西兩個(gè)源組成。 西邊的又叫SgrA*，有紅外和X射線輻射。 天文學(xué)家把SgrA*定義為銀河系的中心,并認(rèn)為它可能是一個(gè)黑洞。2 2，銀河系中心的特大黑洞，銀河系中心的特大黑洞第21頁(yè)/共26頁(yè) 近紅外觀測(cè)：SgrA*和一顆年輕恒星組成雙星系統(tǒng)，軌道周期15.56年。 估計(jì)出SgrA*有4百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。史瓦西半徑為0.08天文單位。黑洞的角徑為10微角秒。 這是離我們最近、最強(qiáng)、角徑最大的一個(gè)超大質(zhì)量黑洞候選者。雙星系統(tǒng)的確認(rèn)雙星系統(tǒng)

10、的確認(rèn)第22頁(yè)/共26頁(yè) 黑洞有一個(gè)5倍史瓦西半徑大小的陰影區(qū)，對(duì)Sgr A*來(lái)說(shuō)，陰影區(qū)約為45.4845.48微角秒微角秒。黑洞周?chē)妮椛鋮^(qū)應(yīng)該與此相當(dāng)。 要判斷SgrA*是不是黑洞，就要測(cè)出它的大小，越接近陰影區(qū)，越可能。 沈志強(qiáng)用甚長(zhǎng)基線干涉陣（VLBA）3.5毫米，獲得SgrA*的觀測(cè)結(jié)果，揭示出橢圓狀視結(jié)構(gòu)，其尺度僅比黑洞陰影大2.6倍。SgrASgrA* *是否為大質(zhì)量黑洞？是否為大質(zhì)量黑洞？第23頁(yè)/共26頁(yè)圖上部是用VLBA在五個(gè)波長(zhǎng)(0.7,1.35, 2.0, 3.6和6.0厘米)的準(zhǔn)同時(shí)觀測(cè)的SgrA*的圖像，其尺度隨波長(zhǎng)的變化。圖下部是一個(gè)點(diǎn)源因星際介質(zhì)散射引起放大圖象，更短波長(zhǎng)觀測(cè)將可能獲得其真實(shí)結(jié)構(gòu)。 SgrASgrA* *的的VLBAVLBA多波段觀測(cè)多波段觀測(cè) 第24頁(yè)