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论——黑洞_2000字

2014-04-13

  黑洞(Blackhole)是根据现代的广义相对论所预言的,在宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后,发生引力坍缩而形成。黑洞的质量是如此之大,它产生的引力场是如此之强,以致于任何物质和辐射都无法逃逸,就连光也逃逸不出来。由于类似热力学上完全不反射光线的黑体,故名为黑洞。在黑洞的周围,是一个无法侦测的事件视界,标志着无法返回的临界点。

  黑洞的形成:

  当大质量天体演化末期,其坍缩核心的质量超过太阳质量的3。2倍时,由于没有能够对抗引力的斥力,核心坍塌将无限进行下去,从而形成黑洞。(核心小于1。4个太阳质量的,会变成白矮星;介于两者之间的,形成中子星)。在绝大部分星系的中心,包括银河系,都存在超大质量黑洞,它们的质量从数百万个直到数百亿个太阳。

  爱因斯坦的广义相对论预测有黑洞解。其中最简单的球对称解为史瓦西度规。这是由卡尔·史瓦西于1915年发现的爱因斯坦方程的解。

  根据史瓦西解,如果一个引力天体的半径小于一个特定值,天体将会发生坍塌,这个半径就叫做史瓦西半径。在这个半径以下的天体,其中的时空严重弯曲,从而使其发射的所有射线,无论是来自什么方向的,都将被吸引入这个天体的中心。因为相对论指出在任何惯性座标中,物质的速率都不可能超越真空中的光速,在史瓦西半径以下的天体的任何物质,都将塌陷于中心部分。一个有理论上无限密度组成的点组成引力奇点(gravitationalsingularity)。由于在史瓦西半径内连光线都不能逃出黑洞,所以一个典型的黑洞确实是绝对“黑”的。

  史瓦西半径由下面式子给出:

  G是万有引力常数,M是天体的质量,c是光速。对于一个与地球质量相等的天体,其史瓦西半径仅有9毫米。

  温度:

  就辐射谱而言,黑洞与有温度的物体完全一样,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。

  光子球:

  光子球是个零厚度的球状边界。在此边界所在位置上,黑洞的引力所造成的重力加速度,刚好使得部份光子以圆形轨道围着黑洞旋转。对于非旋转的黑洞来说,光子球大约是史瓦西半径的一点五倍。这个轨道不是稳定的,随时会因为黑洞的成长而变动。

  光子球之内光子依然有可能因素可以脱离,但是对于外部的观察者来说,任何观察到由黑洞发出的光子,都必须处于事件视界与光子球之间。这也是反对黑洞存在的人所依据的强烈反对事实之一,透过观察光子球的光子能量,无法找到事件视界存在的证据。

  其他的致密星如中子星、夸克星等也可能会有光子球。

  参考系拖拽圈:

  参考系拖曳圈(Ergosphere,又称FrameDragging或是LenseThirringEffect,“兰斯-蒂林效应圈”),转动状态的质量会对其周围的时空产生拖拽的现象,这种现象被称作参考系拖拽。旋转黑洞才有参考系拖曳圈,也就是黑洞南北极与赤道在时空效应上有所不同,这会产生一些奇妙的效应来让我们有机会断定其实实在在是一颗黑洞的特征之一。

  观测者可以利用光圈效应及参考系拖曳圈,观测进入或脱离黑洞的光子的运动,透过间接的手段,例如粒子含量的分布及PenroseProcess(旋转黑洞的能量拉出过程),来间接了解其引力的分布,透过引力的分布重新建立出其参考系拖曳圈。这种观测方式,只有双星以上的系统才能够进行这样的观测。

  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。

  黑洞合并:

  黑洞的合并会发射强大的引力波,新的黑洞会因后座力脱离原本在星系核心的位置。如果速度足够大,它甚至有可能脱离星系母体。

  黑洞的分类:

  1。按质量分

  超巨质量黑洞:可以在所有已知星系中心发现其踪迹。质量据说是太阳的数百万至十数亿倍。

  小质量黑洞:质量为太阳质量的10至20倍,即超新星爆炸以后所留下的核心质量是太阳的3至15倍就会形成黑洞。

  理论预测,当质量为太阳的40倍以上,可不经超新星爆炸过程而形成黑洞。

  中型黑洞:推论是由小质量黑洞合并形成,最后则变成超巨质量黑洞。中型黑洞是否真实存在仍然存疑。

  2,根据物理特性分

  根据黑洞本身的物理特性(质量、电荷、角动量):

  不旋转不带电荷的黑洞。它的时空结构于1916年由史瓦西求出称史瓦西黑洞。

  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。

  3。原初黑洞

  原初黑洞是理论预言的一类黑洞,尚无直接证据支持原初黑洞的存在。宇宙大爆炸初期,宇宙早期膨胀之前,某些区域密度非常大,以至于宇宙膨胀后这些区域的密度仍然大到可以形成黑洞,这类黑洞叫做原初黑洞。原初黑洞的质量与密度不均匀处的尺度有关,因此原初黑洞的质量可以小于恒星坍塌生成的黑洞,根据霍金的理论,黑洞质量越小,蒸发越快。质量非常小的原初黑洞可能已经蒸发或即将蒸发,而恒星坍塌形成的黑洞的蒸发时标一般长于宇宙时间。天文学家期待能观测到某些原初黑洞最终蒸时发出的高能伽玛射线。

 

    初一:杜昊南

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