Sunday, October 25, 2015

地球如果变成黑洞，只有一颗黄豆那么大！M\to 0 當M\to 0或r \rightarrow\infty，史瓦西度規近似為閔可夫斯基時空,坦广义相对论预言，黑洞的范围就是时空的视界，锁定。企图逃离黑洞的光的时空界限，

作者简介：王子雄、郭恒源：北京市顺义牛栏山第一中学天文学科技组。张承民：中国科学院国家天文台研究员

一、黑洞（black hole）
　　黑洞是一种引力极强的天体，任何物质和辐射都只能进入，而无法逃脱，就连光也是如此。当恒星塌缩到一个极小的范围，小于史瓦西半径（太阳的史瓦西半径大约是三公里）时，就连光都无法逃逸了，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。因为它会造成附近时空的扭曲，改变光线的路径，使之和原先没有黑洞情况下的路径不一样。光在黑洞附近传播路径向内偏折，这种现象被称为引力透镜。

二、黑洞的形成过程
　　当恒星接近灭亡时，核心在自身重力的作用下迅速地塌陷，发生爆炸，核心收缩到小于史瓦西半径，中子本身在强大引力的作用下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。太阳如果坍缩成一个黑洞，它的半径大约只有三公里；地球如果变成黑洞，只有一颗黄豆那么大！由于高质量而产生的强引力场，使得任何靠近它的物体都会被它吸进去

三、超大质量黑洞的形成
　　宇宙中的星系，包括我们居住的银河系，中心都隐藏着一个超大质量黑洞（银河系中心的黑洞大约是四百万个太阳质量）。这些黑洞质量大小不一，大约100万个太阳质量到100亿个太阳质量。而超大质量黑洞的形成有几个方法：一个方法涉及气云萎缩成数十万太阳质量以上的相对论星体，或者是以缓慢的吸积（图2）来形成。
　　观测结果显示，出现在宇宙年龄仅为12亿年时的活跃黑洞，其质量要比稍后出现的大部分黑洞质量小10倍。但是它们的成长速度非常快，因而现在它们的质量要比后者大得多。通过对这种成长速度的测算，研究人员可以估算出这些黑洞天体之前和之后的发展路径。该研究小组发现，那些最古老的黑洞，即那些在宇宙年龄仅为数亿年时便开始进入全面成长期的黑洞，它们的质量仅为太阳的100到1000倍。研究人员认为这些黑洞的形成和演化可能和宇宙中最早的恒星有关。天文学家们还注意到，在最初的12亿年后，这些被观测的黑洞天体的成长期仅仅持续了1亿到两亿年。　
　　两种黑洞的区别
　　超大质量黑洞与其它相对较低质量的黑洞比较之下，有一些有趣的区别：超大质量黑洞的平均密度可以很低，甚至比空气的密度还要低。这是因为史瓦西半径是与其质量成正比，而密度则是与体积成反比，黑洞的密度和质量成反比，导致质量大的黑洞反而密度低。由于球体（如非旋转黑洞的视界）的体积是与半径的立方成正比，而质量差不多以直线增长，体积的增长率则会更大。故此，密度会随黑洞视界半径的增长而减少

四、黑洞的分类
　　任何天体一旦变成黑洞，它的一切性质就完全消失了，只剩下3个参数可以描述：质量，电荷，角动量，这叫做无毛定理，就是说黑洞没有毛发，其实应该叫三毛定理，根据黑洞本身的物理特性：质量，角动量，电荷划分，可以将黑洞分为四类：　　
　　1. 施瓦西黑洞：不旋转不带电荷的黑洞，其时空结构于1916年由施瓦西求出。　　
　　2. 克尔黑洞：旋转不带电黑洞，其时空结构由克尔于1963年求出。现阶段观测到的黑洞以该类型为主。　　
　　3. R-N黑洞：不旋转带电黑洞，其时空结构于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。　
　　4. 克尔-纽曼黑洞：旋转带电黑洞，其时空结构于1965年由纽曼求出

五、黑洞探索历史（卡尔·史瓦西于1916年得到爱因斯坦场方程第一个精确解）
　　1783年，剑桥的学监约翰·米歇尔在《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场，以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光，还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿，而使我们不能看到它们，但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这个设想正是我们现在称为黑洞的物体。　　
　　爱因斯坦广义相对论预言，黑洞的范围就是时空的视界，锁定。企图逃离黑洞的光的时空界限，而没有任何东西可以比光运动得更快。人们可以将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地用于黑洞视界：“从这儿进去的人必须抛弃一切希望。”任何东西或任何人一旦进入这个视界，就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。　　
　　1963年，新西兰人罗伊·克尔找到了广义相对论方程的描述旋转黑洞的一组解。这些“克尔”黑洞以恒常速度旋转，其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转的速度。如果旋转为零，黑洞就是完美的球形，这解就和史瓦西的解一样。如果有旋转，黑洞的赤道附近就鼓出去（正如地球或太阳由于旋转而鼓出去一样），而旋转得越快则鼓得越多。

六、黑洞的喷流现象
　　几十年来，X射线天文学家业已研究了由一颗普通恒星与一个黑洞组成的双星系统复杂的行为。在这样的系统中，来自普通恒星的物质流向黑洞，并在其周围形成盘状结构。盘内的摩擦力将气体加热到几百万度，这已足以发出X射线辐射。在盘面内边缘靠近黑洞的地方，强磁场将部分气体抛出，形成方向相对的双向喷流，喷流以接近光速之半的速度向外冲出。
　　根据这些数据，天文学家重新构筑了爆发期间X射线辐射的详细图景，这些爆发与落向黑洞的物质质量增加有关。关于发生那里的事情，发出辐射的位置以及原因是唯一的证据。当爆发在2000年4月中旬开始时，系统最为明亮的X射线辐射由高能（“硬”）X射线主导，这种辐射起源于非常靠近黑洞的区域。天文学家认为，这样的X射线辐射源是甚高能电子区，它们在盘面最内缘周围形成了盘冕。当这些电子与可见光光子相遇后，撞击将光子能量提升到了硬X射线能段上，这一过程叫做逆康普顿散射。这时存在喷流，不过只是个小角色。在接下来的2周里，峰值X射线辐射转移到了低（“软”）能段上，看起来是源自吸积盘中的致密气体。同时，炽热的盘面停止为喷流供能，这就关闭了喷流

黑洞之最
　　已知最大的黑洞。天文学家发现一个超级质量黑洞，位于英仙座星系群的小型星系NGC 1277距离地球2.5亿光年，这个处在其内部的黑洞质量竟然达到太阳质量的170亿倍。【编辑注：天文学家最近在NGC4889星系中又发现了一颗质量更大的黑洞，达到了太阳质量的210亿倍】相比之下，银河系中心的超大质量黑洞就是小巫见大巫了，它仅是太阳质量的400万倍。　
　　最古老的宇宙黑洞。美国天文学家发现了一个源自127亿年前的黑洞，而它的容量几乎可以装下1000个太阳系。不过这个黑洞距离地球非常遥远，它是在宇宙大爆炸之后的10亿年形成，几乎是跟宇宙是并存的。但是有一点是所有科学家很迷惑的，是什么力量让这个宇宙黑洞在这么“短”的时间内就形成了这么大质量的黑洞的。　　
　　已知最小黑洞。利用美国宇航局（NASA）的罗西X射线时变卫星探测器（RXTE），天文学家已经找到了一个目前最小的黑洞。RXTE能够探测来自宇宙空间的X射线，天文学家从其探测结果中找到了一种像心电图一样的特定X射线样式，这表明在某一个双星系统的正常恒星附近存在着一个黑洞。从恒星被吸引至黑洞的物质进行着周期性运动。这个黑洞与地球的距离约为16,000至56,000光年。黑洞自身质量仅相当于太阳的3倍，这意味着最初形成黑洞的那颗恒星的质量大约二十个太阳。相对来说，太阳的质量较小，不足以在其生命周期的最后时期形成黑洞，而是形成白矮星。
　　作者简介：王子雄、郭恒源：北京市顺义牛栏山第一中学天文学科技组。张承民：中国科学院国家天文台研究员

史瓦西度規[编辑]

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史瓦西度規（Schwarzschild metric），又稱史瓦西幾何、史瓦西解，是卡爾·史瓦西^註於1915年針對广义相对论的核心方程——愛因斯坦場方程式——关于球状物质分布的解。此解所對應的幾何，可以是球狀星球以外的時空，也可以是靜止不旋轉、不帶電荷之黑洞（稱「史瓦西黑洞」）的時空幾何。任何物體被壓縮成史瓦西度規將會形成黑洞