10黑洞類星體new

1、現(xiàn)代天文學(xué)十五講,第十講 黑洞和類星體 北京大學(xué)天文系吳鑫基,作業(yè)和小論文1，小論文在5月底6月初交2，第3次作業(yè)最遲在考試前1周交 第九講、第十一講、第十二講 外加一個(gè)題目 對(duì)現(xiàn)代天文學(xué)課程和教材的意見 （優(yōu)缺點(diǎn)、改進(jìn)建議、教材中的 問題）,,,一，黑洞概念的提出二，黑洞的性質(zhì)和類型 三，霍金的量子黑洞 四，尋找黑洞 五，謎一樣的天體－－類星體

2、六，類星體的挑戰(zhàn)（本講不要求，僅提要式的介紹）,黑洞和類星體是兩種不同性質(zhì)的天體,但都是對(duì)宇宙演化有舉足輕重地位的天體。 黑洞是理論研究的產(chǎn)物，當(dāng)今已越來越多地與天體物理前沿領(lǐng)域眾多的熱點(diǎn)課題相關(guān)聯(lián)，并到了搜尋黑洞階段。 類星體是迄今為止觀測(cè)到的最明亮、最遙遠(yuǎn)、最古老的天體。它的能量來源、特大紅移和“超光速”現(xiàn)象成為爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。,要點(diǎn),1，第二宇宙速度(逃逸速度) 根據(jù)動(dòng)能(mv2/2)>引力勢(shì)能(GMm

3、/R)導(dǎo)出 地球上的逃逸速度為11.2千米/秒。 R愈小，M愈大，逃逸速度愈大；當(dāng)某天體的逃逸速度達(dá)到光速，光也不可能離開這個(gè)天體，形成黑洞。如果地球半徑壓縮到只有0.9厘米時(shí)，逃逸速度就超過光速。,一，黑洞概念的提出,2，黑洞的預(yù)言 1795年拉普拉斯預(yù)言黑洞的存在：“一個(gè)密度和地球一樣而直徑為太陽(yáng)的250倍的發(fā)光恒星，由于引力的作用，它將不允許任何光線離開它，不能被我們看見?！?稱這種天體為“黑

4、暗的一團(tuán)”。 1783年英國(guó)牧師、地質(zhì)學(xué)家約翰·米歇爾還早于拉普拉斯提出幾乎一樣的看法。,廣義相對(duì)論的概念 研究相對(duì)作加速運(yùn)動(dòng)的參考系情況 基本經(jīng)驗(yàn)根據(jù)：引力質(zhì)量（F=GMm/r2） 和慣性質(zhì)量（F=ma）的等同性 失重和超重現(xiàn)象 廣義相對(duì)論愛因斯坦場(chǎng)方程 大質(zhì)量物體（天體）將引起其附近的時(shí)空 彎曲；,3,廣義相對(duì)論關(guān)于黑洞的概念,廣義相對(duì)論里沒有逃逸速度這個(gè)概念，而是

5、引力場(chǎng)使時(shí)空彎曲。在彎曲空間，如球面，兩點(diǎn)之間最短的距離曲線，大圓的一部分。 月球繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)是因?yàn)榈厍虻馁|(zhì)量扭曲了附近的時(shí)空，使月球繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，就如火車沿鐵軌運(yùn)行一樣，當(dāng)鐵軌變彎曲后，火車自然沿彎曲的鐵軌運(yùn)行。 質(zhì)量一定的恒星，當(dāng)其半徑越小，對(duì)周圍時(shí)空彎曲作用越大，半徑小到一定程度后，朝某些角度發(fā)出的光就將沿彎曲空間返回恒星表面。,二，黑洞的性質(zhì)和類型,1,史瓦西黑洞,最簡(jiǎn)單的黑洞，不旋轉(zhuǎn)，不帶電,僅有有質(zhì)量參數(shù)，

6、稱為史瓦西黑洞或球形黑洞。 垂直于表面發(fā)射的光都被捕獲處的半徑，表示黑洞的半徑 算出：太陽(yáng)的史瓦西半徑為3千米，地球僅為0.9厘米。與由牛頓力學(xué)推導(dǎo)出的公式所給出的估計(jì)是一致的。,2，視界：史瓦西半徑是黑洞的邊界。物質(zhì)（包括光）一旦落入視界之內(nèi)，就再也不能逃出視界。3，中心奇點(diǎn)：黑洞除中心有物質(zhì)以外，其它地方空無一物，中心點(diǎn)的物質(zhì)密度、引力都是無窮大，故稱奇點(diǎn)。,3，黑洞對(duì)外界光線的影響,4，克爾旋轉(zhuǎn)黑洞

7、 黑洞有自轉(zhuǎn)，造成黑洞偏離球形而成橢球體。 旋轉(zhuǎn)黑洞有兩個(gè)參量：質(zhì)量和角動(dòng)量。 黑洞看不到，無法測(cè)量其自轉(zhuǎn)，但自轉(zhuǎn)角速度不會(huì)比中子星小。 旋動(dòng)黑洞的周圍就像宇宙中的一個(gè)引力大旋渦，旋渦中心是黑洞，在旋渦附近的物體都會(huì)吸向旋渦中心。,旋轉(zhuǎn)黑洞周圍的引力渦旋 牛頓力學(xué)：物質(zhì)運(yùn)動(dòng)不影響引力場(chǎng)； 廣義相對(duì)論：物質(zhì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生附加的旋渦引力場(chǎng)，其大小由角動(dòng)量決定；附加旋渦引力場(chǎng)區(qū)域形成能層。 無旋轉(zhuǎn)黑洞的視界上引

8、力為無窮大； 有旋轉(zhuǎn)的黑洞改變了，在視界以外的能層的表面上引力變得無窮大，形成外視界。 在能層中的所有物體將作圓周運(yùn)動(dòng)。 克爾黑洞就是有旋轉(zhuǎn)的黑洞。,克爾黑洞的視界 史瓦西黑洞只有一個(gè)視界，而旋轉(zhuǎn)黑洞有外視界和內(nèi)視界。兩個(gè)視界之間的區(qū)域稱為能層。 在能層內(nèi)的物質(zhì)會(huì)被黑洞的自轉(zhuǎn)所帶動(dòng)，但仍有機(jī)會(huì)逃離黑洞。內(nèi)視界才是真正的死亡線，,黑洞的質(zhì)量沒有上限。特大質(zhì)量的黑洞形成途徑： 比較大的恒星級(jí)黑洞逐步

9、吞食附近的物質(zhì)形成； 恒星集團(tuán)的引力坍縮而形成； 宇宙早期形成的大大小小質(zhì)量的黑洞，包括特大質(zhì)量的原初黑洞。,5，特大質(zhì)量黑洞,三，霍金的量子黑洞,基于廣義相對(duì)論原理，考慮量子論的影響，黑洞不完全“黑”，邊界不再是密不可透。 空間中充滿了正反粒子對(duì)，在黑洞附近，如果一個(gè)粒子或反粒子掉到黑洞里面去，留下它的伴侶就相當(dāng)于是黑洞發(fā)射的輻射。 輻射為熱譜。質(zhì)量越大溫度越低。與太陽(yáng)相當(dāng)?shù)暮诙?，溫度接近絕對(duì)溫度零度。但

10、質(zhì)量10億噸的小黑洞具有一千二百多億度的高溫，發(fā)射強(qiáng)度很大，類似一種爆發(fā)。,史蒂芬·威廉·霍金 1942年誕生，17歲上牛津大學(xué)，后到劍橋大學(xué)攻讀天文學(xué)博士，一帆風(fēng)順。 21歲得了帕金森氏病，面臨“早逝”的危險(xiǎn)，他開始了天文學(xué)的學(xué)習(xí)和研究。到1970年，完全被禁錮在輪椅上，頭也抬不起來，失去了說話的能力。,霍金以重病之身克服人們無法體會(huì)的病痛折磨，取得了全世界矚目的成就。 “霍金輻射理論”，把引

11、力論、量子論和統(tǒng)計(jì)力學(xué)統(tǒng)一到一起，作出了劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。1978年榮獲物理學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)“愛因斯坦獎(jiǎng)”。他在黑洞和宇宙論方面的貢獻(xiàn)，被譽(yù)為當(dāng)今的愛因斯坦，成為當(dāng)代最杰出的物理學(xué)家和天文學(xué)家之一。,霍金的成就,四，尋找黑洞,1、雙星中黑洞的搜尋 黑洞不發(fā)光，怎樣尋找？ 黑洞雖不發(fā)光，但它在引力依然存在。根據(jù)雙星運(yùn)動(dòng)的參數(shù)可以估計(jì)出看不見的天體的質(zhì)量，如果大于3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，就可能是黑洞。尋找雙星系統(tǒng)中的黑洞成為熱點(diǎn)課

12、題。 黑洞把周圍的物質(zhì)吸入的過程中，會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈X射線輻射。這也是一個(gè)重要判據(jù)。,有很強(qiáng)X射線輻射，伴星是質(zhì)量約25－40個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的藍(lán)巨星，軌道周期為5.6天，X射線源約為7個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，超過中子星質(zhì)量上限，是比較公認(rèn)的黑洞的候選者。,恒星級(jí)黑洞候選者－－天鵝座X－1示意圖,2，銀河系中心的 特大黑洞,光學(xué)觀測(cè)，銀河系中心是漆黑一團(tuán)。 射電觀測(cè)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)源人馬座SgrA，由東西兩個(gè)源組成。 西邊的源SgrA w

13、est 又叫SgrA*。 后來又探測(cè)到SgrA*的紅外和X射線輻射。 天文學(xué)家把SgrA*定義為銀河系的中心,并認(rèn)為SgrA*可能是一個(gè)黑洞。,近紅外觀測(cè)：SgrA*和一顆年輕恒星組成雙星系統(tǒng)，軌道周期15.56年。 估計(jì)出SgrA*有4百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。史瓦西半徑為0.08天文單位。黑洞的角徑為10微角秒。 這是離我們最近、最強(qiáng)、角徑最大的一個(gè)超大質(zhì)量黑洞候選者。,雙星系統(tǒng)的確認(rèn),黑洞存在一個(gè)5倍史瓦西半徑大小的陰

14、影區(qū)，對(duì)Sgr A*來說，陰影區(qū)約為45.48微角秒。黑洞周圍的輻射區(qū)應(yīng)該與次相當(dāng)。 要判斷SgrA*是不是黑洞，就要測(cè)出它的大小，越接近陰影區(qū)，越可能。 沈志強(qiáng)用甚長(zhǎng)基線干涉陣（VLBA）3.5毫米，獲得SgrA*的觀測(cè)結(jié)果，揭示出橢圓狀視結(jié)構(gòu)，其尺度僅比黑洞陰影大2.6倍。,SgrA*是否為大質(zhì)量黑洞？,圖上部是用VLBA在五個(gè)波長(zhǎng)(0.7, 1.35, 2.0, 3.6和6.0厘米)的準(zhǔn)同時(shí)觀測(cè)的SgrA*的

15、圖像，其尺度隨波長(zhǎng)的變化。 圖下部是一個(gè)點(diǎn)源因星際介質(zhì)散射引起放大圖象，更短波長(zhǎng)觀測(cè)將可能獲得其真實(shí)結(jié)構(gòu)。,SgrA*的VLBA多波段觀測(cè),五，謎一樣的天體－－類星體,20世紀(jì)60年代四大發(fā)現(xiàn)之一。它們具有像恒星那樣小的角徑（小于1角秒），但不是恒星。 類星體是迄今為止天文學(xué)家所知道的距離最遙遠(yuǎn)、能量最大的天體。 現(xiàn)在，類星體的數(shù)目已有數(shù)萬(wàn)之多，但它們的一些特殊性質(zhì)至今無法解釋，類星體究竟是一種什么樣的天體，至

16、今仍是一個(gè)難解之謎。,1、類星體的發(fā)現(xiàn) 類星體是由射電望遠(yuǎn)鏡首先發(fā)現(xiàn)的，但它的主要特征不是射電輻射。 20世紀(jì)60年代，發(fā)現(xiàn)大批射電源，最有名的是劍橋大學(xué)的3C射電源表。 尋找射電源的光學(xué)對(duì)應(yīng)體是當(dāng)務(wù)之急。當(dāng)時(shí)射電觀測(cè)的分辨率很低，求助于月掩射電源的方法。,發(fā)現(xiàn)光學(xué)對(duì)應(yīng)體 1960年利用月掩射電源的方法確定了射電源3C48的位置，找到了它的光學(xué)對(duì)應(yīng)體－－視星等為16等的天體。像一顆恒星，但它的光譜很特殊，其波長(zhǎng)

17、與其它天體光譜里所看見的波長(zhǎng)很不一樣，不知道是哪些元素產(chǎn)生的。 1962年又找到射電源3C273的光學(xué)對(duì)應(yīng)體，視星等為13等的藍(lán)色“星”。光譜也很特殊。 沒有人能加以解釋，留下一個(gè)謎。,施米特突發(fā)奇想：大紅移 1963年在撰寫論文時(shí)，史密斯突然閃電般的產(chǎn)生一個(gè)念頭：如果3C273具有非常大的退行速度的話，會(huì)怎樣？ 當(dāng)退行速度為47000千米/秒，其發(fā)射線光譜與氫原子光譜一致，光譜對(duì)應(yīng)的是熟知的元素，如氫

18、、氧、氮、鎂等。 射電源3C48的情況也一樣，只是退行速度達(dá)到110，000千米/秒。,類星體的最大特點(diǎn)是它的譜 線有非常大的紅移。 紅移值由觀測(cè)波長(zhǎng)和在地球 上實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的波長(zhǎng)來確定： 觀測(cè)波長(zhǎng)總比實(shí)驗(yàn)室的波長(zhǎng)大，z總大于零。 類星體都有紅移，比星系紅移大很多。,譜線紅移,1965年以后，對(duì)類星射電源的光

19、學(xué)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)它們的紫外輻射非常強(qiáng)，并不發(fā)出很強(qiáng)的射電輻射。人們把它們稱為藍(lán)星體。藍(lán)星體也成為類星體的候選者。今天，人們把類星射電源和藍(lán)星體統(tǒng)稱為類星體。 實(shí)際上，類星射電源和藍(lán)星體統(tǒng)僅是類星體的候選者，只有確認(rèn)有很大的紅移后，才能確認(rèn)。,類星體為類星射電源和藍(lán)星體的總稱,最遠(yuǎn)、古老的天體 類星體紅移比河外星系的紅移還大得多。哈勃定律計(jì)算出的類星體距離，遠(yuǎn)在幾億光年或幾十億光年以外，甚至達(dá)100多億光年。 觀測(cè)到類星體的光是

20、幾億年或上百億年以前發(fā)出的。,六，類星體的挑戰(zhàn) 類星體是迄今為止觀測(cè)到最明亮、最遙遠(yuǎn)、最古老的天體。它的巨大紅移、可以與光速比擬的退行速度和巨大能量向天文學(xué)和物理學(xué)提出了挑戰(zhàn)。 類星體并不是恒星，可能是星系核。但是，至今天文學(xué)家仍然不能確定它究竟是什么天體。,類星體雖然看上去很象恒星，實(shí)際上與恒星有本質(zhì)的差別。銀河系內(nèi)的恒星除了射電脈沖星外，它們的射電輻射都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及類星體。 恒星的光譜有紅移也有藍(lán)移，離我們的緣故

21、。類星體的光譜是清一色的紅移，而且都非常大。在銀河系內(nèi)沒有找到具有類星體特性的天體。,1，類星體是什么？,河外天體都有紅移，這是宇宙膨脹的結(jié)果。因此，公認(rèn)的看法認(rèn)為類星體是河外星系那樣屬于銀河系外的天體。 在河外星系中有一類性質(zhì)特殊的星系被稱為活動(dòng)星系，例如射電星系、N型星系、塞佛特星系等?；顒?dòng)星系中發(fā)生著激烈的物理過程，如恒星爆發(fā)、噴流和激波。在各個(gè)波段都有很強(qiáng)的輻射。后來查明，這些激烈的過程均發(fā)生在星系核心

22、部分或由核心部分激發(fā)而成。天文學(xué)家塞佛特對(duì)一類星系進(jìn)行了系統(tǒng)地研究發(fā)現(xiàn)它們具有明顯的星系核和強(qiáng)的發(fā)射線，后來天文學(xué)家就將它們稱為塞佛特星系。具有很強(qiáng)射電輻射的射電星系中也有部分具有很強(qiáng)的核。這些活動(dòng)星系雖然彼此之間差別很大，但有一共同的特點(diǎn)，類星體就是星系核。由于類星體特別遙遠(yuǎn)，特別明亮的星系核掩蓋了其余部分，使我們只能看清活動(dòng)星系的核。因此，無論是射電輻射還是光學(xué)輻射，所觀測(cè)到的類星體的角直徑很小，看去就象是

23、一顆恒星。當(dāng)然，類星體與活動(dòng)星系核能否劃上等號(hào)還有待進(jìn)一步證實(shí)。 類星體的最重要特性是光譜線發(fā)生了巨大紅移，比河外星系的紅移還大得多。由哈勃定律計(jì)算出的類星體距離使人們感到十分震驚：它們都遠(yuǎn)在幾億光年或幾十億光年以外，甚至離我們近200億光年。這比許多河外星系遠(yuǎn)得多。我們目前所觀測(cè)到類星體的光是幾億年或上百億年以前發(fā)出的，所以說，類星體是我們觀測(cè)到的最古老的天體了。2，類星體的挑戰(zhàn)類,在河外星系中有一類

24、性質(zhì)特殊的星系被稱為活動(dòng)星系，例如射電星系、N型星系、塞佛特星系等。 賽弗特星系具有明顯的星系核和強(qiáng)的發(fā)射線，射電星系中也有部分具有很強(qiáng)的核。這些活動(dòng)星系有一共同的特點(diǎn)，就是有核。 類星體就是星系核。由于類星體特別遙遠(yuǎn)，特別明亮的星系核掩蓋了其余部分，使我們只能看清活動(dòng)星系的核。,類星體是活動(dòng)星系核,2，能源之謎和速度之謎 類星體的光度是整個(gè)銀河系總光度的100倍，甚至十萬(wàn)倍。銀河系的直徑達(dá)10萬(wàn)光年，而類星體的直徑小于4光年。熱

25、核反應(yīng)機(jī)制已不能提供。類星體的產(chǎn)能機(jī)制是什么？目前仍是個(gè)謎。 根據(jù)紅移可以計(jì)算出類星體的速度，最大達(dá)到6.28，速度竟達(dá)到光速的96%。一個(gè)巨大星體的運(yùn)動(dòng)速度能有這么高，天文學(xué)家無法解釋。,宇宙學(xué)紅移把紅移看成天體離我們遠(yuǎn)去所造成，這與宇宙膨脹的觀測(cè)一致。距離太遠(yuǎn)，光度特別巨大。 不把紅移看成是退行所致，就能擺脫困境。星體離我們不那么遙遠(yuǎn)，光度就小得多了。目前有一些觀測(cè)證據(jù)，但不充分。 引力可以產(chǎn)生紅移，不足以產(chǎn)生類星體那樣大

26、的紅移。期待研究出新的產(chǎn)生紅移的機(jī)制。,3，擺脫困境的途徑之一：非宇宙學(xué)紅移,1979年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)引力透鏡類星體： 兩個(gè)靠得很近的類星體，一模一樣，紅移、連續(xù)光譜、譜線等幾乎完全一樣。在類星體的近旁有一個(gè)紅移為0.36的星系。這個(gè)星系的引力使它后面的類星體的光偏轉(zhuǎn)，形成兩個(gè)虛像。,4，引力透鏡緩解類星體能源的困惑,引力透鏡原理圖,引力透鏡緩解類星體能源的困難,引力透鏡的觀測(cè)事實(shí)支持類星體紅移是宇宙學(xué)的結(jié)論。 引

27、力透鏡的發(fā)現(xiàn)也大大緩解了類星體能源的困惑。 遙遠(yuǎn)類星體中可能有多達(dá)1/3是被引力透鏡放大了的，其亮度可能增加了10倍甚至100倍。因此類星體的實(shí)際亮度可能低很多。,解釋類星體的能源“黑洞說” 類星體是劇烈活動(dòng)的星系核，星系核中包含著一個(gè)巨型黑洞。 黑洞不斷吸食它周圍物質(zhì)，這些被黑洞吸入時(shí)，釋放引力能，變成可見光、無線電波、X射線、伽馬射線等波段的輻射。 要解釋觀測(cè)到的類星體光度，要求類星體包含著30億