天體物理學(xué) 10黑洞學(xué)習(xí)資料

第九章黑洞

§9.1相對論簡介§9.2Schwarzschild黑洞§9.3其他類型的黑洞，黑洞轉(zhuǎn)動能的提取§9.4黑洞的量子效應(yīng)§9.5黑洞的觀察證認(rèn)§9.1相對論簡介

1915年，Einstein發(fā)表廣義相對論(generalrelativity)物質(zhì)

引力源

時(shí)空彎曲(curvedspace)引力場強(qiáng)弱

時(shí)空彎曲程度例如：地球繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)可以認(rèn)為是它沿著太陽周圍四維時(shí)空中的測地線運(yùn)動。黑洞周圍的時(shí)空彎曲程度最大天體太陽白矮星中子星黑洞Rs/R10-5.410-410-11引力半徑（gravitationalradius）在引力半徑Rg內(nèi)的光子無法逃逸。對Schwarzschild黑洞（不轉(zhuǎn)黑洞），Rg=Rs（Schwarzschild半徑）=3km(M/M⊙)天體的致密程度可以用Rs/R表示。

在越致密的天體附近，光線彎曲的程度越大。2.Schwarzschild黑洞的基本性質(zhì)時(shí)間延遲 在黑洞附近的時(shí)鐘比遠(yuǎn)處的時(shí)鐘走得慢。 在視界處的時(shí)鐘看上去完全停止。FromJack'spointofview:

Seestheshipgettingfurtheraway.Flashesthelasereverysecondbyhiswatch.Seesabluebeamleavethelaser.FromJill'spointofview:

Eachflashtakeslongertoarrive,andisredderandfainterthantheonebeforeit.JackSees:LaserflashesblueeverysecondbyhiswatchTheoutsideworldlooksdistortedJillSees:Laserflashescome~1hourapartFlashesareshiftedtoradiowavelengthsandaregettingfainterwitheachflash.Jill:Seesonelastlaserflashafteralongdelay;flashisfaintandatlongradiowavelengthsNeverseesthenextflash…Jack:UniversevanishesashecrossesthehorizonGetsshreddedbystrongtidesnearthesingularityandcrushedtoinfinitedensity.NeartheEventHorizon...Downthehole...3.

Kerr時(shí)空

4.黑洞的量子效應(yīng)真空

正負(fù)(虛)粒子對負(fù)粒子被吸收→黑洞質(zhì)量減小正粒子逃逸→帶走能量黑洞能損率→黑洞壽命當(dāng)M=1M⊙,t＝1067yr；當(dāng)M=1015g,t＝1010yr（小黑洞已經(jīng)蒸發(fā)）黑洞的蒸發(fā)的總結(jié)5.黑洞的觀測證據(jù)恒星級黑洞途徑：搜尋質(zhì)量超過中子星質(zhì)量上限（~2-3M⊙）的致密星。確定致密天體性質(zhì)：X射線輻射、時(shí)變確定致密天體質(zhì)量：雙星軌道運(yùn)動

X射線雙星黑洞候選天體CygnusX-1強(qiáng)X射線源X射線輻射光變時(shí)標(biāo)~1ms →輻射天體尺度<108

cm →中子星或黑洞光學(xué)伴星HDE226868

O9.7Iab型超巨星光學(xué)觀測 →軌道周期5.6天，光譜Doppler位移 →視向速度曲線 →質(zhì)量函數(shù)MOpt

>

9M⊙→MBH

>2.9M⊙光譜擬合 →MOpt

=17.8M⊙,MBH=10.1M⊙ →CygnusX-1必定是黑洞！=0.25M⊙星系級黑洞 M~106-109

M⊙

通常位于星系核心Intermediate-MassBlackHoles?ChandraX-rayObservatoryhasfoundnewpopulationsofsuspectedm