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黑洞
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黑洞是什么?
黑洞,广义相对论所预言的一种特殊天体。它的基本特征是具有一个封闭的视界。视界就是黑洞的边界。外来的物质和辐射可以进入视界以内,而机界内的任何物质都不能跑到外面。 早在1798年,拉普拉斯曾根据牛顿引力理论预言存在一种类似于黑洞的夭体。的计算结果是,一个直径比太阳大250倍而密度与地球相当的恒星,其引力场足以捕获它所发出的所有光线,而成为暗天体。1939年,奥图默等根据广义相对论证明,一个无压的尘埃球体,在自引力作用下,将能坍缩到它的引力半径的范围以内。引力半径rg=2GM/C2,式中G为万有引力常数,C为光速,M为球体的总质量。当物质球坍缩到半径为rg,这个球体所发射的光线或其他任何粒子,都不能逃到rg球以外,这就形成黑洞。对晚期致密恒星的研究证明,存在一临界质量Mc。当星体质量M>Mc,在引力坍缩后,它不可能有任何稳定的平衡态,而只能形成黑洞。 在形成黑洞以前的恒星物质可以有各种不同的属性。但是,一当形成稳定的黑洞以后,几乎所有属性都不再能被观测到。只要用三个参数就可以完全表征黑洞的性质。这三个参数是:质量M、角动量J和电荷Q。当J=Q=0时,是球对称的史瓦西黑洞;当Q=0时,是轴对称的克尔黑洞。黑洞的一个重要物理参量是它的视界的面积A,其值为(在C=G=1单位系):A=8π[M2+M(M2-α2-Q2)1/2-Q2/2] 。式中α=J/M。A的基本性质是,在黑洞的演化过程(例如,通过与物质相互作用,或黑洞之间的相互作用冲,它的面积总不减少。这称为面积不减定理。它是物质只能进入黑洞而不能跑出黑洞这一特性的定量表述。面积不减定理,类似于
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热力学中的孤立系熵不减原理。因此,黑洞的面积相当于黑洞的熵。在这个基础上建立了黑洞热力学。黑洞热力学的一个结论是,黑洞具有一定的温度,其值与黑洞的质量成反比。1974年,霍金证明,如果考虑到黑洞周围空间中的量子涨落,则黑洞的确具有与它的温度相对应的热辐射。计及量子效应后,黑洞不再是完全“黑”的了,它也会发射,甚至出现剧烈的,是相对论天体爆发。 寻找黑洞物理学的重要课题。孤立的黑洞难于观测,因此,观测工作着重于在双星体系中证认黑洞。目前,,是天鹅座X-1。天鹅座X-1是密近双星中的一个星体。它所发射的X射线没有规则的脉冲结构,但却具有短时标的脉动涨落,脉动时标在几毫秒到10秒范围内;,大于致密星的临界质量。这些特征都符合黑洞的特性。另外,观测还表明,在椭圆星系M87的核心,可能有质量为9×109太阳质量的大型黑洞。M87的特征是:在核心处有异常的亮度分布,颜色较蓝,弥散速度也较大。这些都与黑洞模型相符合。按照大爆炸宇宙学,在宇宙早期可能形成一些小质量黑洞,一个质量为1015克的黑洞,其空间尺度只有10-13厘米左右(相当于原子核的大小)。小黑洞的温度很高,有很强的发射。有一种模型认为,高能天体物理研究所发现的一些高能爆发过程,也许就是由这些小黑洞的发射及其最终的爆发引起的。
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黑洞的“缺环”
以质量来衡量,已知的黑洞只有两类:很小的和超级巨大的。现在科学家终于找到了它们中间的“缺环”:中等质量的黑洞。这两个在球状星团中央发现的黑洞,表明黑洞的存在比人们想象的更普遍,有助于我们理解星系的形成过程。 球状星团是大量恒星密集形成的结构,基本上呈球形。在球状星团里,直径100光年的空间内可能聚集着几万乃至几千万颗恒星,有的恒星非常古老,年龄往往超过100亿年。 目前人们在银河系里发现了大约150个球状星团,其中的一个称为M15,它位于飞马座方向,,直径120光年,包含约10万颗恒星。美国马里兰州空间望远镜科学研究所的Roeland van der Marel等人使用哈勃望远镜观察G1,在它的中央发现了一个约有4,000个太阳质量的黑洞。 得克萨斯奥斯丁大学的Karl Gebhardt等人则说,他们同样使用哈勃望远镜,观察了位于仙女座星系的球状星团G1,也发现了一个黑洞。仙女座星系M31是离银河系最近的星系。G1球状星团离我们220万光年,包含至少30万颗恒星,总质量超过太阳的1000万倍,在它里面发现的黑洞,质量为太阳的2万倍。
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以往人们发现的黑洞,要么特别小,要么特别大。小的只有几个太阳质量,那是单颗的大恒星生命结束后爆发、坍缩形成的。大的则盘踞在星系中央