10黑洞類星體new

1、現(xiàn)代天文學十五講,第十講 黑洞和類星體 北京大學天文系吳鑫基,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 外加一個題目 對現(xiàn)代天文學課程和教材的意見 （優(yōu)缺點、改進建議、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，當今已越來越多地與天體物理前沿領域眾多的熱點課題相關聯(lián)，并到了搜尋黑洞階段。 類星體是迄今為止觀測到的最明亮、最遙遠、最古老的天體。它的能量來源、特大紅移和“超光速”現(xiàn)象成為爭論的焦點。,要點,1，第二宇宙速度(逃逸速度) 根據(jù)動能(mv2/2)>引力勢能(GMm

3、/R)導出 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；當某天體的逃逸速度達到光速，光也不可能離開這個天體，形成黑洞。如果地球半徑壓縮到只有0.9厘米時，逃逸速度就超過光速。,一，黑洞概念的提出,2，黑洞的預言 1795年拉普拉斯預言黑洞的存在：“一個密度和地球一樣而直徑為太陽的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”。 1783年英國牧師、地質(zhì)學家約翰·米歇爾還早于拉普拉斯提出幾乎一樣的看法。,廣義相對論的概念 研究相對作加速運動的參考系情況 基本經(jīng)驗根據(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 廣義相對論愛因斯坦場方程 大質(zhì)量物體（天體）將引起其附近的時空 彎曲；,3,廣義相對論關于黑洞的概念,廣義相對論里沒有逃逸速度這個概念，而是

5、引力場使時空彎曲。在彎曲空間，如球面，兩點之間最短的距離曲線，大圓的一部分。 月球繞地球運轉(zhuǎn)是因為地球的質(zhì)量扭曲了附近的時空，使月球繞地球運轉(zhuǎn)，就如火車沿鐵軌運行一樣，當鐵軌變彎曲后，火車自然沿彎曲的鐵軌運行。 質(zhì)量一定的恒星，當其半徑越小，對周圍時空彎曲作用越大，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：太陽的史瓦西半徑為3千米，地球僅為0.9厘米。與由牛頓力學推導出的公式所給出的估計是一致的。,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：黑洞除中心有物質(zhì)以外，其它地方空無一物，中心點的物質(zhì)密度、引力都是無窮大，故稱奇點。,3，黑洞對外界光線的影響,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)黑洞有兩個參量：質(zhì)量和角動量。 黑洞看不到，無法測量其自轉(zhuǎn)，但自轉(zhuǎn)角速度不會比中子星小。 旋動黑洞的周圍就像宇宙中的一個引力大旋渦，旋渦中心是黑洞，在旋渦附近的物體都會吸向旋渦中心。,旋轉(zhuǎn)黑洞周圍的引力渦旋 牛頓力學：物質(zhì)運動不影響引力場； 廣義相對論：物質(zhì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生附加的旋渦引力場，其大小由角動量決定；附加旋渦引力場區(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動。 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視界，而旋轉(zhuǎn)黑洞有外視界和內(nèi)視界。兩個視界之間的區(qū)域稱為能層。 在能層內(nèi)的物質(zhì)會被黑洞的自轉(zhuǎn)所帶動，但仍有機會逃離黑洞。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： 比較大的恒星級黑洞逐步

9、吞食附近的物質(zhì)形成； 恒星集團的引力坍縮而形成； 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，在黑洞附近，如果一個粒子或反粒子掉到黑洞里面去，留下它的伴侶就相當于是黑洞發(fā)射的輻射。 輻射為熱譜。質(zhì)量越大溫度越低。與太陽相當?shù)暮诙?，溫度接近絕對溫度零度。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，后到劍橋大學攻讀天文學博士，一帆風順。 21歲得了帕金森氏病，面臨“早逝”的危險，他開始了天文學的學習和研究。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)計力學統(tǒng)一到一起，作出了劃時代的貢獻。1978年榮獲物理學領域的最高獎“愛因斯坦獎”。他在黑洞和宇宙論方面的貢獻，被譽為當今的愛因斯坦，成為當代最杰出的物理學家和天文學家之一。,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)雙星運動的參數(shù)可以估計出看不見的天體的質(zhì)量，如果大于3個太陽質(zhì)量，就可能是黑洞。尋找雙星系統(tǒng)中的黑洞成為熱點課

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

13、est 又叫SgrA*。 后來又探測到SgrA*的紅外和X射線輻射。 天文學家把SgrA*定義為銀河系的中心,并認為SgrA*可能是一個黑洞。,近紅外觀測：SgrA*和一顆年輕恒星組成雙星系統(tǒng)，軌道周期15.56年。 估計出SgrA*有4百萬個太陽的質(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、角徑最大的一個超大質(zhì)量黑洞候選者。,雙星系統(tǒng)的確認,黑洞存在一個5倍史瓦西半徑大小的陰

14、影區(qū)，對Sgr A*來說，陰影區(qū)約為45.48微角秒。黑洞周圍的輻射區(qū)應該與次相當。 要判斷SgrA*是不是黑洞，就要測出它的大小，越接近陰影區(qū)，越可能。 沈志強用甚長基線干涉陣（VLBA）3.5毫米，獲得SgrA*的觀測結果，揭示出橢圓狀視結構，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在五個波長(0.7, 1.35, 2.0, 3.6和6.0厘米)的準同時觀測的SgrA*的

15、圖像，其尺度隨波長的變化。 圖下部是一個點源因星際介質(zhì)散射引起放大圖象，更短波長觀測將可能獲得其真實結構。,SgrA*的VLBA多波段觀測,五，謎一樣的天體－－類星體,20世紀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家所知道的距離最遙遠、能量最大的天體。 現(xiàn)在，類星體的數(shù)目已有數(shù)萬之多，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、今仍是一個難解之謎。,1、類星體的發(fā)現(xiàn) 類星體是由射電望遠鏡首先發(fā)現(xiàn)的，但它的主要特征不是射電輻射。 20世紀60年代，發(fā)現(xiàn)大批射電源，最有名的是劍橋大學的3C射電源表。 尋找射電源的光學對應體是當務之急。當時射電觀測的分辨率很低，求助于月掩射電源的方法。,發(fā)現(xiàn)光學對應體 1960年利用月掩射電源的方法確定了射電源3C48的位置，找到了它的光學對應體－－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

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

18、、氧、氮、鎂等。 射電源3C48的情況也一樣，只是退行速度達到110，000千米/秒。,類星體的最大特點是它的譜 線有非常大的紅移。 紅移值由觀測波長和在地球 上實驗室測定的波長來確定： 觀測波長總比實驗室的波長大，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，對類星射電源的光

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

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到最明亮、最遙遠、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和物理學提出了挑戰(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遠不及類星體。 恒星的光譜有紅移也有藍移，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，這是宇宙膨脹的結果。因此，公認的看法認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星系，例如射電星系、N型星系、塞佛特星系等?；顒有窍抵邪l(fā)生著激烈的物理過程，如恒星爆發(fā)、噴流和激波。在各個波段都有很強的輻射。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。天文學家塞佛特對一類星系進行了系統(tǒng)地研究發(fā)現(xiàn)它們具有明顯的星系核和強的發(fā)射線，后來天文學家就將它們稱為塞佛特星系。具有很強射電輻射的射電星系中也有部分具有很強的核。這些活動星系雖然彼此之間差別很大，但有一共同的特點，類星體就是星系核。由于類星體特別遙遠，特別明亮的星系核掩蓋了其余部分，使我們只能看清活動星系的核。因此，無論是射電輻射還是光學輻射，所觀測到的類星體的角直徑很小，看去就象是

23、一顆恒星。當然，類星體與活動星系核能否劃上等號還有待進一步證實。 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。由哈勃定律計算出的類星體距離使人們感到十分震驚：它們都遠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得多。我們目前所觀測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的發(fā)射線，射電星系中也有部分具有很強的核。這些活動星系有一共同的特點，就是有核。 類星體就是星系核。由于類星體特別遙遠，特別明亮的星系核掩蓋了其余部分，使我們只能看清活動星系的核。,類星體是活動星系核,2，能源之謎和速度之謎 類星體的光度是整個銀河系總光度的100倍，甚至十萬倍。銀河系的直徑達10萬光年，而類星體的直徑小于4光年。熱

25、核反應機制已不能提供。類星體的產(chǎn)能機制是什么？目前仍是個謎。 根據(jù)紅移可以計算出類星體的速度，最大達到6.28，速度竟達到光速的96%。一個巨大星體的運動速度能有這么高，天文學家無法解釋。,宇宙學紅移把紅移看成天體離我們遠去所造成，這與宇宙膨脹的觀測一致。距離太遠，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，光度就小得多了。目前有一些觀測證據(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)生紅移的機制。,3，擺脫困境的途徑之一：非宇宙學紅移,1979年發(fā)現(xiàn)第一個引力透鏡類星體： 兩個靠得很近的類星體，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紅移為0.36的星系。這個星系的引力使它后面的類星體的光偏轉(zhuǎn)，形成兩個虛像。,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,引力透鏡的觀測事實支持類星體紅移是宇宙學的結論。 引

27、力透鏡的發(fā)現(xiàn)也大大緩解了類星體能源的困惑。 遙遠類星體中可能有多達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” 類星體是劇烈活動的星系核，星系核中包含著一個巨型黑洞。 黑洞不斷吸食它周圍物質(zhì)，這些被黑洞吸入時，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。 要解釋觀測到的類星體光度，要求類星體包含著30億