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1、 黑 洞 概念 具体形成过程 当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢 ），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的 力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心 开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力 与压力平衡。 质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有 可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能 大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值，将再没有什么力能 与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。根据科学家的 猜想物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋 于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到
2、一 定程度（史瓦西半径），正象我们 黑洞上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射 出，从而切断了恒星与外界的一切联系“黑洞”诞生了。 Part.1 研究历史 历史上，第一个意识到一个致密天体密度可以大到连光都 无法逃逸的人是英国地理学家John Michell。他在1783年写 给亨利卡文迪什一封信中提出这个想法的，他认为一个和 太阳同等质量的天体，如果半径只有3公里，那么这个天体 是不可见的，因为光无法逃离天体表面。 1796年，法国物理学家拉普拉斯曾预言：“一个质量如250 个太阳，而直径为地球的发光恒星，由于其引力的作用， 将不允许任何光线离开它。由于这个原因，宇宙中最大的 发
3、光天体，却不会被我们看见”。拉普拉斯依据牛顿万有 引力定律，光由星体表面逃逸至无穷远得。 现代物理中的黑洞理论建立在广义相对论的基础上。 由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到 黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影 响来间接观测或推测到它的存在。比如说，恒星在被 吸入黑洞时会在黑洞周围形成吸积气盘，盘中气体剧 烈摩擦，强烈发热，而发出X射线。借由对这类X射线 的观测，可以间接发现黑洞并对之进行研究。迄今为 止，黑洞的存在已被天文学界和物理学界的绝大多数 研究者所认同，天文界并不时提出于宇宙中观测发现 到已存在的黑洞。 Part.2 结构特性 目前公认的理论认为，黑洞只有三个物
4、理量可以测量 到：质量、电荷、角动量。也就是说：对于一个黑洞 ，一旦这三个物理量确定下来了，这个黑洞的特性也 就唯一地确定了，这称为黑洞的无毛定理，或称作黑 洞的唯一性定理。但是这个定理却只是限制了经典理 论，没有否认可能有其他量子荷的存在，所以黑洞可 以和大域单极或是宇宙弦共同存在，而带有大域量子 荷。黑洞具有潮汐力，越小的黑洞潮汐力越大。 宇宙弦* 宇宙弦（Cosmic string）是指物质在宇宙中分布排列所 出现的物质弧线。科学家认为，它应出现于宇宙大爆炸 之初，0秒到1秒之间的极短瞬间。此种物质的形态为封 闭的环，可作弦式振荡，所以取名宇宙弦。 温度 就辐射谱而言，黑洞与有温度的物体
5、完全一样，而黑 洞所对应的温度，则正比于黑洞视界的引力强度。换 句话说，黑洞的温度取决于它的大小。若黑洞只比太 阳的几倍重，它的温度大约只比绝对零度高出亿分之 一度，而更大的黑洞温度更低。因此这类黑洞所发出 的量子辐射，一律会被大爆炸所留下的2.7K辐射（宇 宙背景辐射）完全淹没。 事件视界 事件视界又称为黑洞的视界，事件视界以外 的观察者无法利用任何物理方法获得事件视 界以内的任何事件的资讯，或者受到事件视 界以内事件的影响。事件视界是造成黑洞所 以被称为黑洞的根本原因，不过实际的观测 还没有发现事件视界。 时间场异常 黑洞周围由于引力强大的因素，理论预期会 发生时间场异常现象，这包含了周围
6、的参考 系拖曳圈及事件视界效应。 此外，由于时间物理学尚未发展，时间意义 失效的区域，目前物理学还无能力进行探 讨。 Part.3 黑洞的演化过程 1、吸积 黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而 被发现的，这一过程被称为吸积。 2、蒸发 由于黑洞的密度极大，根据公式我们可以知道密度= 质量/体积，为了让黑洞密度无限大，那就说明黑洞的 体积要无限小，然后质量要无限大，这样才能成为黑 洞。黑洞是由一些恒星“灭亡”后所形成的死星，它 的质量极大，体积极小。但黑洞也有灭亡的那天，按 照霍金的理论，在量子物理中，有一种名为“隧道效 应”的现象，即一个粒子的场强分布虽然尽可能让能 量低的地方较强，但
7、即使在能量相当高的地方，场强 仍会有分布，对于黑洞的边界来说，这就是一堵能量 相当高的势垒，但粒子仍有可能出去。 问：为什么有粒子跑出？ 霍金辐射 在“真空的宇宙中，根据海森堡测不准原理，会在瞬 间凭空产生一对正反虚粒子，然后瞬间消失，以符合 能量守恒。在黑洞视界之外也不例外。霍金推想，如 果在黑洞外产生的虚粒子对，其中一个被吸引进去， 而另一个逃逸的情况。如果是这样，那个逃逸的粒子 获得了能量，也不需要跟其相反的粒子湮灭，可以逃 逸到无限远。在外界看就像黑洞发射粒子一样。这个 猜想后来被证实，这种辐射被命名为霍金辐射。由于 它是向外带去能量，所以它是吸收了一部分黑洞的能 量，黑洞的质量也会渐
8、渐变小，消失。 3、毁灭 由于霍金辐射的存在，正粒子所带的能量逃出黑洞， 黑洞能量减少，由E=mc2得其质量也将减少，质量减 少，温度升高。这样，当黑洞损失质量时，它的温度 和发射率增加，因而它的质量损失得更快。 这种“霍金辐射”对大多数黑洞来说可以忽略不计， 因为大黑洞辐射的比较慢，而小黑洞则以极高的速度 辐射能量，直到黑洞的爆炸。 Part.6 人造黑洞 欧洲大型强子对撞机（LargeHadronCollider，简称 LHC）被称为世界规模最庞大的科学工程，它将利用 高速粒子束相撞产生的巨大能量，重建“大爆炸”发 生后的宇宙形态。然而欧洲和美国的反对人士分别向 当地法院提出起诉，要求叫停
9、或推迟这个项目，他们 的理由是，LHC能产生危险的粒子或者微型黑洞，从 而毁灭整个地球。 2009年10月15 日，科学杂志宣布，世界上第一个 “人造黑洞”在中国东南大学实验室里诞生。不过， 这个小型“黑洞”不仅不会毁灭世界，还能帮助人们 更好地吸收太阳能。 Part.7 了解 1.微类星体 这幅图片展示了一个微类星 体。微类星体据信是质量与 恒星相当的小黑洞。如果掉 入这个黑洞，你能够穿过黑 洞的边界，也就是事件视 界。即使尚未被巨大的引力 碾碎，你也无法从这个黑洞 的后部穿出，逃离升天。等 待你的将是无边无际的黑暗 ，任何人也看不到你。黑洞 之旅将是一个致命的旅程。 如果一个人胆敢进入黑洞
10、， 他/她最终将被可怕的引力 撕裂。 2.黑洞对星系产生影响 这幅照 片由钱 德拉X射 线望远 镜拍摄 ，展示 了半人 马座A星 系内一 个超大 质量黑 洞产生 的影 响。 3.婴儿黑洞出生 美国宇航局最近宣布， 他们第一次观测到附近 一个星系内发生的黑洞“ 诞生”过程。这个黑洞由 爆炸的恒星形成。据“探 索新闻”报道，这个“婴儿 ”黑洞位于M-100星系， 距地球大约5000万光 年。这一发现让宇航局 陷入兴奋之中，因为他 们终于知道了一个黑洞 的“出生日期”，进而让科 学家对黑洞的研究达到 一个前所未有的程度。 4.类星体 艺术概念图，展示了一 个类星体。这个类星体 位于一个星系中央，是
11、一个超大质量黑洞，四 周被旋转的物质环绕。 类星体是处于早期阶段 的黑洞，可能存在了数 十亿年之久。它们据信 在宇宙古代形成。由于 被物质遮住，发现类星 体并非易事。 10.万花筒般的彩色 一幅伪色图片，所用数 据来自于美国宇航局的 斯皮策和哈勃望远镜， 一个超大质量黑洞正向 外喷射巨大的粒子喷 流。宇航局表示，这个 喷流的长度达到10万光 年，体积相当于我们的 银河系。万花筒般的色 彩说明喷流拥有不同的 光波。人马座A星系中 央存在一个超大质量黑 洞。宇航局认为这个黑 洞的质量相当于40亿颗 太阳。 Part.8 结语 美国宇航局2010年11月15日发现地球附近有一个年仅30岁的黑 洞，这
12、也是人类科学史上发现的最年轻的黑洞。 这个最年轻的黑洞是天文学家利用美国宇航局的钱德拉X射线望远 镜发现的，它为观测这类婴儿期天体提供了独一无二的机会。美国宇 航局声称，这个黑洞将能够帮助科学家更好地理解大质量恒星是如何 爆炸的，恒星爆炸后留下的是黑洞还是中子星，以及银河系和其他星 系黑洞的数量。 这个30岁的黑洞是距离地球约5000万光年的M100星系中的超新 星“SN1979C”的余烬。根据钱德拉X射线望远镜、美国雨燕卫星、欧 洲宇航局牛顿X射线天文望远镜(XMM-Newton )以及德国伦琴卫星获 得的数据显示一个明亮的X射线源，这个X射线源在1995年到2007年 这段观测期内一直非常稳定，这表明这个天体是一个黑洞，它正在吞 噬这颗超新星和伴星落下的物质。 这是唯一一个人类全程见证它形成的黑洞，也是超新星爆炸能够 形成黑洞的唯一的直接证据。
