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1、恒星世界与黑洞恒星世界与黑洞 2/32黑洞黑洞一、一、恒星世界恒星世界恒星是熊熊燃烧着的火球，依靠热核反应产生能量，恒星是熊熊燃烧着的火球，依靠热核反应产生能量，能够在相当长的时间内稳定地发光发热。能够在相当长的时间内稳定地发光发热。恒星的距离远（仙女座星云距离约为恒星的距离远（仙女座星云距离约为200万光年万光年 ）。）。恒星的体积相差较大恒星的体积相差较大 （由太阳直径的几百甚至一、（由太阳直径的几百甚至一、二千倍直到不及太阳的十分之一二千倍直到不及太阳的十分之一 ）。）。恒星的质量差异很大（太阳质量的恒星的质量差异很大（太阳质量的120倍到倍到0.1倍）。倍）。恒星的密度差异惊人（大多数
2、恒星的密度均在水恒星的密度差异惊人（大多数恒星的密度均在水密度的密度的1/10010倍之间。倍之间。 ） 恒星的寿命差别很大恒星的寿命差别很大 （一般来说，质量越大，寿（一般来说，质量越大，寿命越短。一百多亿年到几百万、几千万年。）命越短。一百多亿年到几百万、几千万年。）3/32黑洞黑洞恒星的星等和光度恒星的星等和光度星等星等：公元前公元前2世纪，希腊天文学家依巴谷就把肉眼世纪，希腊天文学家依巴谷就把肉眼能见的星星分成能见的星星分成6个等级，最亮的星为个等级，最亮的星为 1 等，最暗的等，最暗的星为星为 6 等。等。 在在19世纪，确定世纪，确定1等星比等星比6等星亮等星亮100倍。把比倍。把
3、比1等星等星更亮的天体定为更亮的天体定为0等、等、-1等、等、，而把比，而把比6等星更等星更暗的天体定为暗的天体定为7等、等、8等、等、。例如，太阳的星等。例如，太阳的星等为为 -27等，满月时的月球为等，满月时的月球为-13等。等。现在，天文学家用集光能力最大的天文望远镜观测到现在，天文学家用集光能力最大的天文望远镜观测到的最暗的天体，已经暗于的最暗的天体，已经暗于25 等，它们比一支离开观等，它们比一支离开观测者测者63千米的蜡烛光还暗。千米的蜡烛光还暗。4/32黑洞黑洞光度：恒星的发光强度称为光度，就是指从恒星表光度：恒星的发光强度称为光度，就是指从恒星表面以光的形式辐射出的功率。面以光
4、的形式辐射出的功率。恒星表面的恒星表面的温度越低，它的光越偏红；温度越高，光温度越低，它的光越偏红；温度越高，光则越偏蓝。则越偏蓝。表面温度越高，表面积越大，光度就越大。光度最大表面温度越高，表面积越大，光度就越大。光度最大的恒星，可达太阳光度的的恒星，可达太阳光度的100万倍；而光度最小的恒万倍；而光度最小的恒星，约只有太阳光度的星，约只有太阳光度的100万分之一。万分之一。在天文学中，把光度大的恒星，称为在天文学中，把光度大的恒星，称为巨星巨星；光度小的；光度小的恒星，称为恒星，称为矮星矮星。光度比通常的巨星还要大的恒星，。光度比通常的巨星还要大的恒星，则称为则称为超巨星超巨星。5/32黑
5、洞黑洞恒星的恒星的“温度温度光度光度”图图赫罗图赫罗图6/32黑洞黑洞从图中可以看出，炽热明亮的蓝巨星位于左上方，从图中可以看出，炽热明亮的蓝巨星位于左上方，而比较冷且暗的红矮星分布在图的右下角。而比较冷且暗的红矮星分布在图的右下角。90%的恒星都位于从左上方到右下方的一条很窄的带的恒星都位于从左上方到右下方的一条很窄的带上，这条窄带就叫上，这条窄带就叫“主星序主星序”。处于。处于“主星序主星序”上的恒星被称为主序星，它们都处于一生中的氢上的恒星被称为主序星，它们都处于一生中的氢核反应阶段。当恒星核的氢烧完后，它们就离开核反应阶段。当恒星核的氢烧完后，它们就离开主序，开始了氦核反应继而成为红巨
6、星。最终红主序，开始了氦核反应继而成为红巨星。最终红巨星坍缩，温度上升，成为白矮星。巨星坍缩，温度上升，成为白矮星。根据恒星的温度或颜色可把恒星分成以字母根据恒星的温度或颜色可把恒星分成以字母O、B、A、F、G、K、M表示的七种类型。表示的七种类型。O型是热的蓝型是热的蓝星，星，M型则是较冷的红星。型则是较冷的红星。 7/32黑洞黑洞恒星起源和演化分为四个阶段：恒星起源和演化分为四个阶段：恒星产生于原始恒星产生于原始的分子星云（如的分子星云（如图）。天体是大图）。天体是大量物质的凝聚，量物质的凝聚，引力使天体物质引力使天体物质凝聚收缩时就要凝聚收缩时就要释放出能量。释放出能量。引力收缩阶段引力
7、收缩阶段恒星的幼年期（恒星的幼年期（“星胚星胚”）8/32黑洞黑洞最年轻的行星状星云 9/32黑洞黑洞ngc3132行星状星云 10/32黑洞黑洞主序星阶段主序星阶段恒星的中年期恒星的中年期恒星恒星“点燃点燃”后，核反应的外爆辐射压力与恒星的自后，核反应的外爆辐射压力与恒星的自身引力平衡，使恒星处于不收缩也不膨胀的相对平衡身引力平衡，使恒星处于不收缩也不膨胀的相对平衡状态，同时还向外辐射巨大的能量。这是恒星一生中状态，同时还向外辐射巨大的能量。这是恒星一生中最为壮丽辉煌的中青年期，最为壮丽辉煌的中青年期，“主序星阶段主序星阶段”。红巨星阶段红巨星阶段恒星的老年期恒星的老年期当核心的氢逐渐耗尽而
8、形成当核心的氢逐渐耗尽而形成“氦核氦核”时，引力重压时，引力重压没有辐射压平衡，星体中心区被压缩，使温度急剧没有辐射压平衡，星体中心区被压缩，使温度急剧上升。中心氦核的温度升高后，使紧贴上升。中心氦核的温度升高后，使紧贴“氦核氦核”周周围尚未燃烧的氢氦混合气体受热，又使氦核外的氢围尚未燃烧的氢氦混合气体受热，又使氦核外的氢进一步点燃。这使得氦球逐渐增大，氢燃烧层也向进一步点燃。这使得氦球逐渐增大，氢燃烧层也向外扩展，从而使星体外层物质受热膨胀起来变为红外扩展，从而使星体外层物质受热膨胀起来变为红巨星巨星 。11/32黑洞黑洞白矮星和中子星阶段白矮星和中子星阶段恒星的临终期恒星的临终期 红巨星或
9、超巨星内部能产生热核反应的物质都耗尽红巨星或超巨星内部能产生热核反应的物质都耗尽时，它的末日也就来临。此时，根据质量的不同，时，它的末日也就来临。此时，根据质量的不同，恒星分别演化为恒星分别演化为“白矮星白矮星”、“中子星中子星”、“黑洞黑洞”。12/32黑洞黑洞质量小于质量小于3.5个太阳，演变成为白矮星个太阳，演变成为白矮星氦用完后，恒星的核将开始收缩，剩余的氦又开始燃氦用完后，恒星的核将开始收缩，剩余的氦又开始燃烧，致使它的外壳再度膨胀，并且向外层空间抛射物烧，致使它的外壳再度膨胀，并且向外层空间抛射物质，形成一个质，形成一个“行星状星云行星状星云”，而其星核再次坍缩。，而其星核再次坍缩
10、。当星核的密度达到当星核的密度达到100g/cm3时，其中的电子被挤压到时，其中的电子被挤压到了不能再紧密的地步，坍缩也就停止了。等到这个垂了不能再紧密的地步，坍缩也就停止了。等到这个垂死的恒星将它的外壳全部抛出后，它的核就裸露出来死的恒星将它的外壳全部抛出后，它的核就裸露出来了。这个核是炽热的，温度约为摄氏两万五千度，但了。这个核是炽热的，温度约为摄氏两万五千度，但体积却特别小，只有地球那么大，被称之为体积却特别小，只有地球那么大，被称之为“白矮星白矮星”。现在已经观测到的白矮星有。现在已经观测到的白矮星有1000颗以上。颗以上。13/32黑洞黑洞白矮星白矮星14/32黑洞黑洞由于宇宙中一半
11、以上的恒量拥有伴星，如果其中的一由于宇宙中一半以上的恒量拥有伴星，如果其中的一颗成了白矮星，另一颗是主序星，那么白矮星就会从颗成了白矮星，另一颗是主序星，那么白矮星就会从它的伴星中拽出物质。物质在白矮星周围聚集，达到它的伴星中拽出物质。物质在白矮星周围聚集，达到很高的温度，发生核聚变并且发生强烈的辐射，称这很高的温度，发生核聚变并且发生强烈的辐射，称这种现象为种现象为“新星新星”，这样的双星系统叫做，这样的双星系统叫做“密近双星密近双星”。 15/32黑洞黑洞大质量恒星在经历了超大质量恒星在经历了超巨星阶段后就可能发生巨星阶段后就可能发生超新星爆发。超新星爆超新星爆发。超新星爆发后大约要经过一
12、年的发后大约要经过一年的时间渐渐暗淡下来，遗时间渐渐暗淡下来，遗留下爆发后的星云状遗留下爆发后的星云状遗迹，被称为迹，被称为“超新星遗超新星遗迹迹”。剩余的那个已经。剩余的那个已经死亡的恒星核便由其质死亡的恒星核便由其质量决定而生成为中子星量决定而生成为中子星或者黑洞。或者黑洞。中子星中子星16/32黑洞黑洞中国南宋的天象官最早观测到的一次超新中国南宋的天象官最早观测到的一次超新星爆发的记载及其产物星爆发的记载及其产物“蟹状星云蟹状星云”的照的照片。片。17/32黑洞黑洞1科学家的预言科学家的预言(1). 拉普拉斯预言的黑洞拉普拉斯预言的黑洞1798年，法国天文学家皮埃尔年，法国天文学家皮埃尔
13、西蒙西蒙马奎马奎德德拉普拉拉普拉斯（斯（1749l827年）提出：年）提出：一个密度如地球而直径为太阳一个密度如地球而直径为太阳550倍的天体，通过引倍的天体，通过引力的吸引作用，可以将全部光线捕获，成为不可见的力的吸引作用，可以将全部光线捕获，成为不可见的天体，成为人们看不见的天体，成为人们看不见的“黑洞黑洞”。拉普拉斯的预言，。拉普拉斯的预言，初看好像很初看好像很“离奇离奇”，其实它是建立在牛顿经典力学基，其实它是建立在牛顿经典力学基础上的。础上的。 二、二、黑洞黑洞18/32黑洞黑洞卫星能绕地球运行的发射速度卫星能绕地球运行的发射速度 “第一宇宙速度第一宇宙速度” ” 其中其中G G为引
14、力常数，为引力常数，M M为地为地球质量，球质量，R R为地球半径。为地球半径。飞船脱离地球的发射速度飞船脱离地球的发射速度“第二宇宙速度第二宇宙速度” 飞船脱离太阳的发射速度飞船脱离太阳的发射速度“第三宇宙速度第三宇宙速度” 如果一个天体，质量很大而半径很小，则它的如果一个天体，质量很大而半径很小，则它的“表面表面脱离速度脱离速度”就可达到光速；连从它表面发射的光也要就可达到光速；连从它表面发射的光也要被引力吸住而跑不出去，那么其它运动物体也都跑不被引力吸住而跑不出去，那么其它运动物体也都跑不脱。这个天体就是黑洞。脱。这个天体就是黑洞。 19/32黑洞黑洞广义相对论预言，一定质量的天体，将对
15、周围的空广义相对论预言，一定质量的天体，将对周围的空间产生影响而是使他们间产生影响而是使他们“弯曲弯曲”。弯曲的空间会迫。弯曲的空间会迫使其附近的光线发生偏转。使其附近的光线发生偏转。例如太阳就会使经过其边缘的遥远星体光线发生例如太阳就会使经过其边缘的遥远星体光线发生1.75弧秒的偏转。由于太阳的光太强，人们无法观弧秒的偏转。由于太阳的光太强，人们无法观看太阳附近的情景。看太阳附近的情景。1919年，一个英国日全蚀考察年，一个英国日全蚀考察队终于观测到太阳附近的引力偏转现象，爱因斯坦队终于观测到太阳附近的引力偏转现象，爱因斯坦因此成了家喻户晓的因此成了家喻户晓的“明星明星”。 20/32黑洞黑
16、洞(2). 史瓦西预言的黑洞史瓦西预言的黑洞 德国天文学家卡尔德国天文学家卡尔史瓦西（史瓦西（18731916年）年）通过计算爱因斯坦引力方程后预言：如果将大通过计算爱因斯坦引力方程后预言：如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点的周围存在一个界面现象，即在质点的周围存在一个界面“视界视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种这种“不可思议的天体不可思议的天体”后来被美国物理学家后来被美国物理学家命名为命名为“黑洞黑洞”。21/32黑洞黑洞黑洞的主要特征黑洞的主要特征它有很强的引力，不断吞
17、噬大量的星际物质；一它有很强的引力，不断吞噬大量的星际物质；一些物质在它周围急速运行，轨迹会发生变化，形些物质在它周围急速运行，轨迹会发生变化，形成圆形的物质环；成圆形的物质环；它周围有很大的能量辐射，不断发出极强的它周围有很大的能量辐射，不断发出极强的x射线射线和和射线；射线；它极大的引力使光线在它附近也会发生强烈的弯它极大的引力使光线在它附近也会发生强烈的弯曲；曲；它的内部连一丝光线也透不出来它的内部连一丝光线也透不出来22/32黑洞黑洞2黑洞的观测与发现黑洞的观测与发现 （1）天鹅座）天鹅座X-1号的双星系统号的双星系统天鹅座天鹅座X-1 ：是一个双星系统，可见恒星是一颗质：是一个双星系
18、统，可见恒星是一颗质量量25倍倍40倍太阳的高温蓝色的超巨星；看不见的倍太阳的高温蓝色的超巨星；看不见的伴星质量约为伴星质量约为7倍太阳，体积却非常小，是一颗处倍太阳，体积却非常小，是一颗处于天鹅座于天鹅座X-1位置的，不发光而放射出强烈位置的，不发光而放射出强烈X射线的射线的奇异天体，它们在太空中互相围绕着旋转。据推测，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加热到几百万K，成为，成为X射线源。该奇异天体已经超射线源。该奇异天体已经超过了黑洞质量的过了黑洞质量的“理论界限理论界限”，大概
19、就是一个黑洞。，大概就是一个黑洞。23/32黑洞黑洞天鹅座天鹅座X-124/32黑洞黑洞蓝色的物质即为黑洞的吸取盘蓝色的物质即为黑洞的吸取盘25/32黑洞黑洞（2）第二个可能的黑洞）第二个可能的黑洞 第二个可能的黑洞在银河系附近的一个星系中发现的。第二个可能的黑洞在银河系附近的一个星系中发现的。天文学家确认，这个星系的天文学家确认，这个星系的X射线源射线源LMCX3中含有中含有一颗质量大约为一颗质量大约为10个太阳质量的黑洞，它与另一颗普个太阳质量的黑洞，它与另一颗普通的星组成一个双星系统。这颗致密暗星就是第二个通的星组成一个双星系统。这颗致密暗星就是第二个可能的黑洞。可能的黑洞。 （3）麒麟
20、座）麒麟座X射线新星射线新星A062000 1986年年1月，在美国天文学会的休斯敦会议上，麦克月，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，他们发现了麒麟座林托克和雷米拉德宣布，他们发现了麒麟座X射线新射线新星星A062000，它的质量至少是太阳质量的，它的质量至少是太阳质量的3倍，是倍，是目前发现的离地球最近的可能黑洞。这是迄今被发现目前发现的离地球最近的可能黑洞。这是迄今被发现的第三个黑洞恒星。的第三个黑洞恒星。 26/32黑洞黑洞（4）银河系的）银河系的IE1704.7-2942前苏联的前苏联的“格拉纳格拉纳”卫卫星上的法国望远镜星上的法国望远镜“西西格玛格玛”（Sigm
21、a），在），在1990年春天发现了一个年春天发现了一个较强的较强的X射线和射线和射线源，射线源，它处在距银河系中心它处在距银河系中心300光年之内。这个源暂时光年之内。这个源暂时的名称的名称IE1704.7-2942。银河系中央神秘小型黑洞银河系中央神秘小型黑洞能将行星喷射出银河系能将行星喷射出银河系 27/32黑洞黑洞（5）遥远星系（）遥远星系（M87）的中心黑洞）的中心黑洞 美国天文学会在上世纪美国天文学会在上世纪90年代的一次会议上，公布了年代的一次会议上，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实在一个遥远的椭
22、圆星系M87的核心，有一个巨大的的核心，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。的湍流。M87的特征是在核心处有异常的亮度分布，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有一个像点那样的距地球约5200万光年的亮光源，颜万光年的亮光源，颜色较蓝，弥散速度也较大，这些都与黑洞模型相符合。色较蓝，弥散速度也较大，这些都与黑洞模型相符合。在这里，可能存在着质量为在这里，可能存在着质量为9109太阳质量的超级大太阳质量的超级大黑洞。黑洞。 28/32黑洞黑洞M87及其喷流的X射线照片 29/32黑洞黑洞（6）人马座
23、的银心黑洞）人马座的银心黑洞 2002年，美国加利福尼亚年，美国加利福尼亚大学的宇宙学家在自然大学的宇宙学家在自然周刊上公布了有关银心周刊上公布了有关银心可能存在黑洞的消息，该可能存在黑洞的消息，该黑洞的质量大约是太阳的黑洞的质量大约是太阳的260万倍，直径大约比地万倍，直径大约比地球轨道直径小球轨道直径小10倍，银河倍，银河系的其他恒星围绕该黑洞系的其他恒星围绕该黑洞循环周转，构成巨大的圆循环周转，构成巨大的圆盘形。盘形。人马座的银心黑洞的大人马座的银心黑洞的大概位置，它是从概位置，它是从1995起起用用4年时间拍摄的。年时间拍摄的。30/32黑洞黑洞3黑洞家族黑洞家族(1).史瓦西黑洞：属
24、于史瓦西黑洞：属于“寻常黑洞寻常黑洞”，由恒星演化而，由恒星演化而来来(2).大黑洞：由爆发星系、类星体所形成的黑洞大黑洞：由爆发星系、类星体所形成的黑洞(3).原始黑洞（小黑洞）：是原始黑洞（小黑洞）：是20世纪世纪70年代由霍金提年代由霍金提出来的，质量比出来的，质量比2个太阳小得多。霍金还证明了小个太阳小得多。霍金还证明了小黑洞通过所谓黑洞通过所谓“隧道效应隧道效应”可以放射出物质和辐射。可以放射出物质和辐射。(4). 微型黑洞微型黑洞苏联（物）特罗缅柯于苏联（物）特罗缅柯于1991年提出了年提出了“微型黑洞存微型黑洞存在于一切空间在于一切空间”的假说。他认为这种微型黑洞在地球的假说。他
25、认为这种微型黑洞在地球上也存在。例如美国夏威夷群岛的火山之所以仍在活上也存在。例如美国夏威夷群岛的火山之所以仍在活动，就是因为地球地幔中隐藏着微型黑洞。动，就是因为地球地幔中隐藏着微型黑洞。31/32黑洞黑洞4黑洞白洞两兄弟黑洞白洞两兄弟在在60年代初由诺维可夫和尼曼等人根据爱因斯坦广年代初由诺维可夫和尼曼等人根据爱因斯坦广义相对论，提出了白洞的概念。白洞是黑洞的相反过义相对论，提出了白洞的概念。白洞是黑洞的相反过程。黑洞是宇宙中的收缩区域，是吞食实物和光的程。黑洞是宇宙中的收缩区域，是吞食实物和光的“陷阱陷阱”；白洞却是宇宙中的膨胀区域，各类高能物质；白洞却是宇宙中的膨胀区域，各类高能物质乃
26、至光线从这个源泉涌向字宙。乃至光线从这个源泉涌向字宙。32/32黑洞黑洞冷恒星冷恒星原子核原子核被压碎被压碎坍缩坍缩核子被压碎核子被压碎何时停？无限地坍缩？何时停？无限地坍缩？体积无穷小，密度无穷大，内体积无穷小，密度无穷大，内部压力也无穷大？部压力也无穷大？黑洞中的物质基元是什么呢？黑洞中的物质基元是什么呢？5仍是难解之谜仍是难解之谜33/32黑洞黑洞狭义狭义相对论相对论狭义相对论的两条基础原理狭义相对论的两条基础原理（1）光速不变原理）光速不变原理在所有的惯性系里，真空在所有的惯性系里，真空中光速具有相同的值。光速与广泛的运动无关；光中光速具有相同的值。光速与广泛的运动无关；光速与频率无关
27、；往返平均光速与方向无关。速与频率无关；往返平均光速与方向无关。（2）狭义相对性原理）狭义相对性原理在所有的惯性系中物理在所有的惯性系中物理定律的形式相同。定律的形式相同。狭义相对论主要结论：狭义相对论主要结论：(1)运动的长度缩短运动的长度缩短(2)运动的钟变慢运动的钟变慢34/32黑洞黑洞广义相对论广义相对论广义协变原理广义协变原理自然法则（物理学基本规律）自然法则（物理学基本规律）在所有的参考系中都是相同的。在所有的参考系中都是相同的。等效原理等效原理:非惯性系与一个引力场等效。非惯性系与一个引力场等效。广义相对论提出三个可检验的预言1、水星的近日点的摄动：轨道上运动的行星在绕太、水星的
28、近日点的摄动：轨道上运动的行星在绕太阳运行时，每完成一个周期并非精确返回到空间的原阳运行时，每完成一个周期并非精确返回到空间的原来位置，而是稍稍有些前移。来位置，而是稍稍有些前移。2、光线在引力场中将发生偏转。、光线在引力场中将发生偏转。3、谱线、谱线“红移红移”，即恒星辐射总是背离我们而去。，即恒星辐射总是背离我们而去。35/32黑洞黑洞36/32黑洞黑洞该理论认为引力是由空间该理论认为引力是由空间时间几何的畸变引起时间几何的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离的测量。的，因而引力场影响时间和距离的测量。统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力
29、改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空，以改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空，以取代传统对于引力是一种力的看法。因此，狭义相取代传统对于引力是一种力的看法。因此，狭义相对论和万有引力定律，都只是广义相对论在特殊情对论和万有引力定律，都只是广义相对论在特殊情况之下的特例。狭义相对论是在没有重力时的情况；况之下的特例。狭义相对论是在没有重力时的情况；而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时的情况。的情况。 37/32黑洞黑洞R Ruvuv为里契张量，表示了空间的弯曲状况。为里契张量，表示了空间的弯曲状况。T Tuvuv为能为能量量- -动量张量，表示了物质分布和运动状况。动量张量，表示了物质分布和运动状况。g guvuv为为度规，度规，G 为牛顿万有引力常数为牛顿万有引力常数 是宇宙常数，其物理意义是宇宙真空场。是宇宙常数，其物理意义是宇宙真空场。*g_uv为宇宙项。为宇宙项。 爱因斯坦场方程：爱因斯坦场方程：
