天文知识培训—黑洞讲义－第二讲.docx

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1、黑洞一一课时二I、黑洞的诞生和消亡1.1 诞生现在，我们已经发现了许多大大小小的黑洞。这些性质奇异的天体是怎么来的？（提问）其实不同黑洞的起源可能是不一样的。现在天文学家观测到的黑洞大体上可以分为两类： 一类是恒星级黑洞，它的质量约等于几个太阳质量；一类是超大质量黑洞，它们可能有上亿到 上百亿个太阳质量。这两类黑洞的形成显然是不同的。1.1.1 恒星级黑洞我们现在了解得比较清楚的是恒星级黑洞的形成。简单来说，恒星级黑洞是大质量恒星生 命末期的产物，是大质量恒星的“残骸”。具体是什么意思？我们需要从恒星的演化谈起。我们对恒星的印象，很打程度上来源于太阳，日复一日，年复一年，稳定地为我们提供光 和

2、热，似乎一个永远不会熄灭的大火炉。然而，事实上，所有恒星都会有把能量耗尽的一天。 在那一天来临时，能量来源枯竭的恒星，将会无力抵抗自身的引力，从而不断收缩，形成一个 密度很高的星体。天文学上把这类天体称为“致密星”。致密星的密度有多大？以我们的太阳为 例，天文学家推测，太阳的结局很可能是一种被称为“白矮星”的致密星，它的密度可能有大约 100万克/立方厘米（水的密度是1克/立方厘米）。其他种类的致密星，密度比白矮星还要大许 多。晚期恒星到致密星的演化是一个复杂的过程，不同质量的恒星有不同的演化经历。小质量 的恒星，比如太阳，在燃料枯竭时，会先膨胀，变红，形成一颗红巨星；接下来，红巨星的气 体外

3、壳向外膨胀并最终形成星云，而红巨星的核则会变成前面提到的白矮星。质量更大的恒星，则会在晚年先膨胀为红超巨星，之后发生一次猛烈的“爆炸”（天文学上称 为“超新星爆发），向外抛射出大量物质和能量，而它的核心则会形成比白矮星密度更大的致密 星：质量不太大的恒星，核心变为密度比白矮星还要大许多的中子星；而质量足够大的恒星， 核心将变为黑洞。为什么不同质量的恒星，最终形成的致密星种类有所不同？这主要受恒星核心的质量（就 是变成致密星的那部分）所影响。天文学家推算出，白矮星有一个质量上限，如果它的质量超 过这个上限，它自身的弓I力就强大到可以将白矮星进一步压缩，形成中子星。这个质量上限大 约是1.45倍太

4、阳质量，是印度天文学家钱德拉赛卡首先计算出来的，因此被成为钱的啦赛卡极 限；同样，中子星也有一个质量上限，大约是23个太阳质量（现在尚未得到更精确的结果） 如果它的质量超过这个上限，中子星就会在自身的引力下无可避免地坍缩，其结果就是黑洞。 中子星的质量上限被天文学家们称为“奥本海默极限（注意，这里所说的极限质量是指致密星的质量，而不是形成致密星的恒星的质量。事实 上，形成中子星的恒星总质量一般在8 20倍太阳质量之间，而要想形成黑洞，恒星的总质量 应该在20 30倍太阳质量以上。这其中大部分质量都在超新星爆发中被抛射到了广阔的宇宙空 间。）总结一下：恒星级质量的黑洞（质量在几倍太阳质量）来源于

5、大质量恒星。大质量恒星演 化末期，会发生超新星爆发，恒星的外壳被抛射到宇宙中，而内核则在自身引力下向内坍缩， 最终可能形成黑洞。1.1.2 超大质量黑洞超大质量黑洞，顾名思义，它的质量可以达到上亿到上百亿个太阳质量。很多星系的中心 都有这样的超大质量黑洞，我们的银河系就是这样。这些黑洞的形成显然是不能由恒星形成的, 因为最大的恒星也不过上百太阳质量重。（提问：大家认为这些“庞然大物”是怎么形成的呢？）目前，天文学家们还不完全清楚这些超大质量黑洞的形成。一般认为，这些超大质量黑洞 是由一些小质量的，种子黑洞，不断地吞噬物质而逐渐，吃胖，的。这些黑洞通常以星系中丰富的 气体作为“食物工然而，关于超

6、大质量黑洞形成的一些细节问题，比如“种子黑洞”有多大，为什么绝大部分超 大质量黑洞都位于星系中心，黑洞吞噬气体的过程究竟是怎样的，这些问题，仍然是有待进一 步研究的。总结一下：超大质量黑洞来源于“种子黑洞”大量吞噬星系里的气体。但是这个过程的细节尚 需要进一步的研究。1.2 黑洞的消亡黑洞会消亡吗？刚才说到，大质量恒星生命的一种可能结局就是演化为黑洞。此后，黑洞又会发生怎样 的变化？对于这个问题，著名的物理学家霍金认为，黑洞是会逐渐消亡的。更准确地说，黑洞会不断地向外发射 粒子，从而使自己的质量逐渐减小，直到消失。这就是所谓的“霍金蒸发这似乎并不好理解，不是说任何物体都无法从黑洞的视界以内逃脱

7、出来吗？其实黑洞的蒸发和这一点并 不矛盾。黑洞的蒸发发生在视界外侧非常靠近视界的地方。在那里，不断有粒子产生并带走黑洞的能量。著 名的E=mc2告诉我们，能量的减少就意味着质量的减少。因此，黑洞的质量会不断地损失。为了理解这个过程，让我们来到黑洞的视界边上。一般情况下这里是一片真空。但是量子理论告诉我们, 所谓“真空”并不平静，在这里不断地有粒子一反粒子对产生和湮灭。在我们所处的，引力场不强的时空中， 这些粒子的存在时间非常短，短到我们无法对它们进行有效的观测。因此人们也叫它们“虚粒子”。然而在黑洞视界面附近，“虚粒子”有变为实粒子的可能。比如，在视界面附近产生一对正反虚粒子，此 后反粒子被黑

8、洞吸了进去，正虚粒子没有了可以湮灭的对象，它就“实”化了，变成了真实的、带有一定能量 的粒子。产生这个粒子的能量，自然就由黑洞所提供。事实上，类似的情况有4种：正反虚粒子产生然后湮灭；正反虚粒子产生然后同时被吸入黑洞；反虚粒 子被吸入黑洞，正虚粒子变为实粒子；正虚粒子被吸入黑洞，反虚粒子变为实粒子。霍金计算的结论表明， 第三种情况出现的概率最大，而总体的效果，就是使黑洞不断地向外发射粒子，而黑洞的能量不断变小。不过，虽然理论上黑洞会这样不断“蒸发”，但是实际黑洞蒸发的速度是很慢的。而且质量越大的黑洞， 其蒸发速度越慢。对于星系中心的超大质量黑洞，它们蒸发所需要的时间要远远长于现在宇宙的年龄！作

9、为 天体的黑洞一般质量都很大，它们的蒸发非常不显著，目前我们是无法直接观测到黑洞的蒸发的。2、黑洞的观测发现前面讲了关于黑洞的很多理论知识。但是想让人们广泛地接受这个概念，还需要观测上的 证实。但是黑洞是一个“不发光的天体”，我们是看不到它的。想要观测的话，应该怎么办呢？（提问）为了探测一个“看不见”的天体，有效的办法是探测这个天体和周围天体的相互作用。对于黑 洞来说，我们可以探测它的引力对周围物体的作用，从而观测到它的存在。我们先来看看科学家们第一次观测到黑洞的情形吧。1965年，天文学家们在天鹅库区域发现了一对X射线双星。X射线双星是一种特殊的天体，它由两颗星 体相互绕转组成，同时会发出强

10、烈的X射线。科学家们分析后认为，这对X射线双星由一颗普通恒星和一颗 致密星组成，这颗致密星不断地吞噬它的伴星上的物质，在这个过程中，被吞噬的物质会发出强烈的X射线。天文学家们”算了这颗致密星的质量，结论是8.7倍太阳质量。但是，致密星里白矮星的质量上限是1.45倍太阳质量，中子星的质量上限是2-3倍太阳质量。这颗致密星显然不可能是白矮星或中子星。因此， 科学家们断定，它只可能是余下的唯一一种致密星黑洞。这是天文学家发现的第一个黑洞。事实上，探测强的X射线源是观测黑洞的一个重要方法。黑洞吞噬周围的物质时，被吞噬的物质落入视 界之前，会发出强烈的X射线。很多恒星级黑洞都是如此被发现的。再来说一说我

11、们如何观测超大质量黑洞。现在普遍认为银河系的中心就是一个超大质量的黑洞。如果我 们观察银河系中心附近的恒星，就会发现它们似乎在绕着一块区域旋转，而在那个区域我们却观察不到什么 东西。根据恒星运动的轨迹推算，那里有一个质量约为400万倍太阳质量的天体。在那么小的范围内，集中 了如此巨大的质量，如此推算，唯一可能的稳定的情况就是一个超大质量黑洞。对于十分遥远的河外星系，我们难以分辨它们核心处的星体，因此我们也难以像探测银河系中心黑洞那 样探测它们中心的黑洞。但是，如果这些超大质量黑洞正在存噬气体（请回忆超大质量黑洞的形成），那么 这些气体就会发出辐射。通过探测这些气体的辐射，我们就可以间接地探知超

12、大质量黑洞。另外一种探测黑洞的方法可以称为“引力透镜”法。这里先解释卜什么叫做“引力透镜我们知道黑洞 强大的引力可以使光线弯曲。那么，假如光从黑洞边上经过，它的传播方向就有可能发生偏折。这就好像是 光经过了某种透镜的“折射” 般。具体而言，黑洞对光的影响，就好像是个形状奇怪的凸透镜（此处可以 看引力透镜原理图）。通过测量这个“引力透镜”对光线的“折射”，就可以探知黑洞的存在。（此处放引力透镜效果图。大致内容：引力透镜使它背后的星系成像。人们探测到多个非常相似的星系 的像，而它们其实是同一个星系，因为我们和星系之间存在一个黑洞，所以在“引力透镜”作用下星系成了不 止一个像。）（因为要指着图说，所

13、以这里只说大致内容）（提问：讲完了引力透镜，我们可以思考一下，当我们观察一个黑洞时，我黑洞们看到的样子是什么？）答：我们是无法看见黑洞的，但绝不是想像中的一个“大黑窟窿”的形象。因为引力透镜效应的存在，使 得黑洞会“隐身术”。黑洞背后物体发出的光线，可以在黑洞的引力场的作用下，绕过黑洞到达人们的眼睛里。 所以黑洞就好像隐身了一样。总结一下，我们大致介绍了 3种探测黑洞的方法：探测X射线源，探测星系中心的天体运动，以及利用 引力透镜效应。它们有一个共同点，就是利用了黑洞的引力场对周围物质或天体的影响。3、未知的世界3.1 理论上的黑洞黑洞是经典广义相对论的产物。经典的黑洞有一个特点：严格的视界。

14、视界是一个无限薄的面，将时空 分割为两部分，视界内部的物体不可能跨越视界.然而，经典广义相对论里是没有量子效应的。在量子理论 中看来，时空是量子化的，所谓“无限薄”的面没有意义，更确切地说，在足够狭窄的空间里，“长度”这个概 念将失去意义，因此我们无法谈论一个“无限薄”的面。我们能够谈论的最小长度大约为1.6x10-35米，这个长 度称为“普朗克长度“，小于这个长度的“长度”没有物理意义。要想解决这个矛盾，需要广义相对论和量子理 论的和谐统一，但是这个工作并没有完全完成。结合广义相对论和量子理论，人们提出了一些“量子化”的黑洞。很多这样的模型都否定一个“无限薄”的 视界，代之以一个有一定厚度的

15、“过渡区域但是这些也只是理论模型，尚没有得到观测的证实，目前也没 有一个公认的“量子化”的黑洞模型。这样的争论，会对目前天文学上有关于黑洞的认识有多大影响？其实影响并不大。因为量子效应只在极 其靠近黑洞视界面的地方才会有显著的表现。天文上很难对这么靠近黑洞视界的地方进行观测。目前看来， 在天文的尺度上，时空的量子化完全可以忽略，所以即使黑洞理论按照量子论进行了修正，对现在天文学上 的观测成果也没有什么大的影响。3.2 观测上的黑洞黑洞毕竟是一个不发光的天体，对它的观测，比对其它天体的观测要困难不少。至今仍有许多观测上的 问题需要解决。比如前轴到的，超大质量黑洞到底是如何形成的？我们观测到的恒星级黑洞很多，观测到的上亿倍太 阳质量的黑洞也很多，但是介于两者之间的黑洞却非常少。如果超大质量黑洞是由一些小的黑洞吞噬大量物 质而形成，那么为什么我们没有观测到足够多的中等质量黑洞？是因为一些原因，大部分中等质量黑洞没有 被探测到吗？还是从“种子黑洞到超大质量黑洞的演化太快，以至于中等质量黑洞本来就比超大质量黑洞少 很多？抑或是我们关于超大质量黑洞的形成理论是不对的？这些问题仍然没有一个确切的答案。未知的问题还有许多许多，可以说，对于黑洞的认识，我们仅仅揭开了冰山一角。