宇宙黑洞

一、科学家的预言,二、观测与发现,三、黑洞的类型,四、白洞、虫洞与时空旅行,目 录,宇宙篇,宇宙黑洞,什么是黑洞？,怎样观测和发现黑洞？黑洞有那些类型？ 有白洞吗？,宇宙黑洞,拉普拉斯预言的黑洞,宇宙中存在着奇异暗星,一、科学家的预言,米切尔预言的黑洞,依据：围绕星体运动物体的向心力和引力公式推算,拉普拉斯和米切尔还猜想到这类巨大的暗天体可能像恒星一样众多,1783年，他在英国皇家学会会议上发布：,史瓦西预言的黑洞,质量足够大、体积足够小，都能使形体周围的时空弯曲到封闭的程度,视频:物体质量令其周围的时空弯曲,史瓦西预言的黑洞,天体半径达到左式范围时光线也无法逃脱,令v=c，该式就变为拉普拉斯公式,美国物理学家惠勒（J.A.Wheeler）将这类天体命名为“黑洞”（Black Holes）,史瓦西预言的黑洞,质 量 不 变,太阳,压缩,到半径3km时,地球,到半径3mm时,黑洞,表一 主序星、白矮星、中子星、黑洞时的尺度与密度,两种力量的较量及结局,天 体 内 部,向内收缩,向外扩张,万有引力,物质粒子之间的斥力,来源,黑洞内部未知,两种力量的较量,坍缩和爆发的压力进而使核心被压缩成致密的星核，而致密星核又分化为白矮星、中子星、黑洞。,视频：恒星中子星黑洞,视频：黑洞的产生,中子星的奥本海默极限,视频：中子星形成黑洞的条件,二、观测与发现,1黑洞无毛定理,惠勒将黑洞的这种特征称为“黑洞无毛”（也可以说只有M,Q,J三根毛），后来被人们称为“黑洞无毛定理”。,视频：黑洞的观测,核心喷流现象,黑洞的观测与发现,2.探测方法与手段: 间接推测,引力透镜现象,M87及其喷流的X射线照片,异常X射线源及射线源,视频：黑洞周围星体的运动,黑洞的观测与发现,1976年11月美国发射的“高能天文台一2”号卫星，已经拍摄到这颗黑洞的照片。这是第一个可能的黑洞。,（1）天鹅座X-1号的双星系统,黑洞的观测与发现,强X射线源LMCX3中含有一颗质量大约为10个太阳质量的黑洞。,（2）LMCX-3双星中的暗星,银河系附近的“大麦哲伦星云”发现的第二可能的黑洞,黑洞的观测与发现,（3）麒麟座X射线新星A062000,黑洞的观测与发现,1990年发现了一个较强的X射线和射线源，它距银河系中心不到300光年，暂时代号为1E1740.7-2942,（4）银河系的1E1740.7-2942,黑洞的观测与发现,1994年，哈勃太空望远镜拍摄到，在距离地球约5000万光年的椭圆星系M87中，一团宽约1.6亿公里的灼热气体形成的吸积盘正在环绕其中心旋转 每秒竟达约500公里的旋转速率表明，它可能有一个量级可达109 m的超大质量黑洞。,（5）遥远星系（M87）的中心黑洞,高能喷流 高速带电粒子 小到10光年的亮团组成,巨大的黑洞正把星体吸进去,黑洞的观测与发现,2002年，美国加州大学的科学家在自然周刊上公布了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，直径大约是地球轨道直径的1/10，众多恒星围绕它旋转，构成巨大的圆盘。该黑洞是一个强烈的射电和X射线源，定位在人马座A（Sgr A，）的地方，称为人马座A*，离地球约有26,000光年的距离。,（6）银心黑洞,M87及其喷流的X射线照片,这是1995起用4年时间拍摄的照片,三、黑洞的类型,黑洞的类型,1961年，新西兰物理学家克尔,黑洞的类型,在克尔黑洞模型之前的1916年和1918年，雷斯勒和诺斯特朗姆从爱因斯坦场方程先后得出了带电质量产生引力场的精确解，提出了雷斯勒诺斯特朗姆黑洞模型。,黑洞的类型,视频：星体周围弯曲的空间,霍金辐射 黑洞并不是没有任何辐射。 牛津大学的彭若斯、美国物理学家米斯纳等人论证，处于转动的、带电的激发态黑洞存在超辐射和自发辐射，并且这类辐射可以带走黑洞的转动能、电磁能和电荷，导致黑洞转速减慢、电荷减少、能层变薄，直到蜕化为不转动、不带电的史瓦西黑洞。,1974年，在提出原始黑洞的概念后，霍金（Steven Hawking）应用量子场论的方法推证得出，一定质量的黑洞都有一定的温度，因而能发出热辐射，被人们称为霍金辐射。,激发态黑洞,带走转动能 电磁能和电荷,史瓦西黑洞,辐射,蜕化,视频：霍金1,视频：霍金2,黑洞的热辐射与其质量有关。质量越大温度越低，辐射越弱；质量越小，温度越高，辐射越强。有效的热辐射会使质量亏损。 1 m的黑洞热辐射极弱，只有10-6K的辐射温度，质量损耗也很小；而10亿吨的小黑洞，温度高达1012K，具有明显的辐射效应和质量亏损。只有低于1020吨（相当于月球质量，半径只有0.1mm）的小黑洞才能发生有效的蒸发。 小黑洞的蒸发过程起初很慢，随着质量的消耗则越来越快，最后发生强烈的爆炸，放出耀眼的光芒而消亡。,黑洞的寿命与其质量的立方成正比，质量越小蒸发的越快，寿命就越短。一个质量为1吨的黑洞会在10-10秒内蒸发光，质量为100万吨的黑洞只能存在10年，初始质量为10亿吨（相当于一座山的质量，大小如同质子）的黑洞，寿命有150亿年；而一个1 m黑洞的寿命是1066年！这巨大的数字并不意外，因为黑洞的蒸发是通过“隧道效应”泄出辐射的量子效应，只发生在量子尺度上。,原始黑洞有如下特点： a. 具有较高温度，“放出物质和辐射” b. 吸积效应小于发射效应，可以蒸发消失,质量足够大的黑洞来说，无论它们是在宇宙早期形成的还是后来在超新星爆发时产生的，其质量增大的速率超过了其自身蒸发的速率，只有一天天长大。粗略的估算，质量小于1012kg的黑洞已经蒸发掉了，质量在10121023kg之间的黑洞现在正在蒸发，而质量在1023kg以上的黑洞，包括由恒星演化形成的“第二代”黑洞，则正在吸积物质不断长大。,微小质量黑洞簇射地球大气层,前苏联科学家亚力山大·特罗缅科等人于1991年提出了“微质量黑洞存在于一切空间”的假说，引起不少科学家的关注。他们还认为，这类黑洞在地球上并不少见，有的给人类带来许多麻烦和灾难。例如，美国夏威夷群岛的火山地幔中可能就隐藏着这类黑洞，成为岩浆翻滚的热源，它们发射的中微子也比太阳射向那里的多（据说1000倍），更容易被观测到。,黑洞、白洞、虫洞与时空旅行,20世纪60年代初，前苏联的诺维可夫和以色列的尼曼等人又根据爱因斯坦场方程的史瓦西解提出了白洞的模型。黑洞是宇宙中吞食物质和光的“陷阱”，是最“自私”的怪物；白洞却是宇宙中最“慷慨”的天体，各类高能物质乃至光线从这个源涌向宇宙，包括外来的物质和能量它也一概加以排斥。,黑洞、白洞、虫洞与时空旅行,如果恒星形成了黑洞，那么时空在史瓦西半径即视界的地方与原来的时空垂直。在不平坦的宇宙时空中，这种结构就意味着黑洞视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合，然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞，也可以是白洞。而这个弯曲的视界，就叫做史瓦西喉，它就是一种特定的虫洞。,虫洞概念的出现，几乎与黑洞同时。,电脑绘制的虫洞,黑洞、白洞、虫洞与时空旅行,虫洞就是源于宇宙泡之间的隧道，并且可能不止一条，有的并不通向另外的宇宙泡，而只连同自身的两部分，就像“手柄”。虫洞的端口就是黑洞和白洞，就是源和汇。在这里，虫洞成为一个连接黑、白二洞的，物质在黑洞的奇点处被瓦解为基本粒子，然后通过爱因斯坦罗森桥被传送到白洞辐射出去。,虫洞与黑洞、白洞的接口是一个时空管道和两个时空闭合区的连接，虫洞的时空曲率并不是无限大，因而我们可以安全地通过虫洞，而不被巨大的引力摧毁。,黑洞、白洞、虫洞与时空旅行,视频：科幻片“接触未来”选段,科学家设想，应用虫洞或爱因斯坦罗森桥，可能克服遥远的可见和漫长的时间障碍，实现“超时空旅行”。,视频：时空弯曲与超空间旅行,黑洞、白洞、虫洞与时空旅行,