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1、黑 洞,黑洞的概念与定义,内容概要,黑洞的产生及演化过程,黑洞的分类,如何探测黑洞,由一个只允许外部物质和辐射进 入而不允许物质和辐射从中逃离的边界即视界(event horizon)所规定的时空区域。,黑洞是超级致密天体，它的体积趋向于零而密度无穷大，由于具有强大的吸引力，物体只要进入离这个点一定距离的范围内，就会被吸收掉，连光线也不例外。黑洞吸进物质时会发射出X射线。,定义：,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，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直到最后形成
2、体积接近无限小、密度几乎无限大的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度（一定小于史瓦西半径），质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出“黑洞”就诞生了。 史瓦西半径：史瓦西半径是任何具重力的质量之临界半径。一个物体的史瓦西半径与其质量成正比。在不自转的黑洞上，史瓦西半径所形成的球面组成一个视界。光和粒子均无法逃离这个球面。该值的含义是，如果特定质量的物质被压缩到该半径值之内，将没有任何已知类型的力可以阻止该物质自身重力将自己压缩成一个奇点。 太阳的史瓦西半径约为3千米，地球的史瓦西半径只有约9毫米。,黑洞的产生过程,黑洞正在拉伸、撕裂、并且吞噬恒星,黑洞的演化过程,1、吸积 黑洞通常是因为它
3、们聚拢周围的气体、尘埃等产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。,黑洞吸积、吞噬星体,在宇宙早期，当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由气体云在其自身引力作用下坍缩碎裂，进而通过吸积周围气体而形成的。行星（包括地球）也是在新形成的恒星周围通过气体和岩石的聚集而形成的。当中央天体是一个黑洞时，吸积就会展现出它最为壮观的一面。黑洞除了吸积物质之外，还通过霍金蒸发过程向外辐射粒子。,星系系统3C321中的超级黑洞用致命的X射线、伽马射线和电子轰击邻近的一个星系。,宇宙中的黑洞，也有一种“蒸发”的现象。黑洞蒸发这个概念，是由英国著名的物理学家霍金于1974年提出
4、来的。霍金认为，在黑洞的周围，正反粒子对产生后有四种可能的结果：一、湮灭；二、一起落入黑洞；三、正粒子落入黑洞而反粒子逃脱出来；四、反粒子落入黑洞而正粒子逃脱出来。 最后一种结果的可能性最大。反粒子带有负的能量，落入黑洞之后会使黑洞的能量减少，而逃脱出来的正粒子就好像是从黑洞向外发射出了能量。这就是黑洞的蒸发。黑洞的质量越大，蒸发得越慢。 霍金计算出：质量相当于太阳的黑洞，一年的蒸发量仅10-20焦耳，可维持寿命约1067年；质量为1012千克的小黑洞，每秒蒸发掉6109焦耳的能量，其寿命约为100亿年，与恒星的寿命相当。,2、蒸发,蒸发过程黑洞喷射物不断变亮,3、毁灭,黑洞会发出耀眼的光芒，
5、体积会缩小，甚至会爆炸。 假设一对粒子会在任何时刻、任何地点被创生，被创生的粒子就是正粒子与反粒子，而如果这一创生过程发生在黑洞附近的话就会有两种情况发生：两粒子湮灭、一个粒子被吸入黑洞。“一个粒子被吸入黑洞”这一情况：在黑洞附近创生的一对粒子其中一个反粒子会被吸入黑洞，而正粒子会逃逸，由于能量不能凭空创生，我们设反粒子携带负能量，正粒子携带正能量，而反粒子的所有运动过程可以视为是一个正粒子的为之相反的运动过程，如一个反粒子被吸入黑洞可视为一个正粒子从黑洞逃逸。 这一情况就是一个携带着从黑洞里来的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的总能量少了，而爱因斯坦的公式 表明，能量的损失会导致质量的损失。 当黑
6、洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高。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,1.根据黑洞的质量的大小，大体可以将黑洞分为如下三类： 微黑洞：大小相当于原子尺度，为10-8厘米，质量像座大山的黑洞； 恒星级黑洞：尺度大约为30公里，质量为10个太阳质量的黑洞； 星系级巨型黑洞：尺度为3光年，质量为109个太阳质量的黑洞；,2.根据黑洞本身的物理特性，我们可以将黑洞分为以下四类： 不旋转不带电荷的黑洞：它的时空结构于1916年由施瓦西求出称施瓦西黑
7、洞 不旋转带电黑洞：称R-N黑洞。时空结构于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出 旋转不带电黑洞：称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出 一般黑洞，称克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。,旋转黑洞,星系中心的超大质量黑洞,目前发现的最大的黑洞是大熊星系中心的黑洞，质量为太阳的100亿倍,科学家们提出设想，既然宇宙中有黑洞，那么一定存在“白洞”。黑洞可以用强大的吸力把任何物体都吸进去，而白洞可以把这些东西都吐出来。科学家们设想，黑洞与白洞是连在一起的，黑洞把物质吸进去，物质在里面会经过一个叫做奇异点的东西，然后物质就到达了白洞的“管辖范围”，会被白洞“吐
8、”出来。然后物质就到达了另一个宇宙。,黑洞、白洞与虫洞,虫洞：“虫洞”是连接宇宙遥远区域间的时空细管。暗物质维持着虫洞出口的敞开。它可以把平行宇宙和婴儿宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性。它也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道,也叫“灰道”。虫洞可以在宇宙的正常时空中显现，成为一个突然出现的超时空管道。 黑洞与白洞的联系：黑洞可以产生一个势阱，白洞则可以产生一个反势阱。宇宙是三维的，将势阱看作第四维，那么虫洞就是连接势阱和反势阱的第五维。假如画出宇宙、势阱、反势阱和虫洞的图像，它就像一个克莱因瓶瓶口是黑洞，瓶身和瓶颈的交界处是白洞，瓶颈是虫洞。 虫洞连接黑洞和白洞，在黑洞与白洞之间传送物质。在这
9、里，虫洞成为一个阿尔伯特爱因斯坦罗森桥，物质在黑洞的奇点处被完全瓦解为基本粒子，然后通过这个虫洞（即阿尔伯特爱因斯坦罗森桥）被传送到白洞并且被辐射出去。 白洞有可能离黑洞十分远；实际上它甚至有可能在一个“不同的宇宙”-那就是，一个时空区域，除了虫洞本身，完全和我们在的区域没有连接。一个位置方便的虫洞会给我们一个方便和快捷的方法去旅行很长一段距离，甚至旅行到另一个宇宙。或许虫洞的出口停在过去，这样你可以通过它而逆着时间旅行。总的来说，它们听起来很酷。但是这些仅仅是物理学家们的推测与猜想，人类对于他们的认识仅仅走出了小小的一步，未来还有很长的一段路要走。,黑洞,虫洞,白洞,如何探测黑洞,证据一,黑
10、洞是一类引力极大的天体，进入黑洞视界（史瓦西半径）的一切物体都无法逃出，包括光（电磁波）。黑洞对于视界外的天体也有引力作用，速度不够快的天体会在引力作用下落入视界内。这些被吸进的物质就会形成可观测得吸积盘。吸积盘通常在在黑洞的赤道平面，这源于黑洞自转产生的离心效应（可与地球、太阳等天体对比。地球、太阳等天体在自转产生的离心效应的影响下呈现略扁的形状）。 科学家已观测到一些恒星的异常运动，就好像受到另一大质量天体的吸引一样，少部分更产生吸积盘的效应，通常这只发生在双星系统中。然而这些被观测的天体并没有发现存在伴星（双星系统中的两颗恒星互为伴星），经推测，这很可能是因为伴星为黑洞。,证据二,科学家
11、曾探测到很强的射电辐射，然而却如何也找不到射电源。经推测，这射电源很可能是黑洞。 由量子物理可知，在能量中可以产生虚粒子对，一个正粒子，一个负粒子。通常情况下，在能量中创生的粒子对几乎在瞬间就会相互湮灭，不会被观测到。但在黑洞问题的讨论中就有些复杂。粒子对可在黑洞内、黑洞外以及黑洞视界边缘创生。因为黑洞的引力强到连光也无法逃脱，所以在黑洞视界内创生的粒子对无法逃出黑洞，会在黑洞内湮灭。在黑洞外创生的粒子对，因离黑洞足够远，不会被吸入黑洞，但会很快湮灭。而在黑洞视界边缘创生的粒子对就有可能不发生湮灭,只要它具有足够的能量。创生后进入黑洞视界的粒子无法在逃出黑洞，而创生后没有进入黑洞视界的粒子则因
12、为失去湮灭对象而有可能远离黑洞。这远离黑洞的粒子就是我们所观测到的黑洞辐射（霍金辐射）。,证据三,粒子流喷射通常是大质量天体产生的效应。引力场的大小与天体质量呈正相关。大质量天体可以吸引周围物质，使之加速向自己靠近。在此过程中，天体的强大磁场会对带电物质产生集束效应，使之集中于天体的两极，就像地球上极光的成因一样。集中于天体两极的带电物质具有高速度，在强引力场与强磁场的共同作用下，带电物质就会形成喷流，方向沿两极方向向外。 经观测，在星系的中心普遍存在着这样的喷流，且强度非常大。然而，在星系中心的区域却没有观测到相应的大质量天体。有理由推测，这观测不到的大质量天体很可能就是黑洞，它是驱使整个星系运动的主要能量来源。,证据四,引力可以使光转向。强引力天体吸引通过四周的光使其转向集中，就像一个凸透镜一样。星系通常都会引起引力透镜效应，放大背景天区的天体。在天文观测中，引力透镜效应会对观测结果产生很大影响。 曾经有一位科学家宣称自己找到了黑洞，证据就是在一次观测中偶然发现了遥远天体的光线扰动现象。该被观测天体的影像在观测中突然发生位移，数分钟后又恢复到原位置。在这期间并没有观测到其他天体经过观测天区引起透镜现象。该位科学家认为是一个黑洞的经过引起了观测上的变化。,谢 谢 观 看 ！ 制作人 ：卓越电子1201刘京超 胡永泉,
