黑洞物理

发表时间:2019/6/13   来源:《知识-力量》2019年9月30期   作者:周溯媛
[导读] 什么是黑洞?大部分人了解的黑洞只知道是在宇宙中存在的。广义相对论中,对于黑洞的定义就是在时光中连光都无法逃逸的区域,黑洞是神秘的。2019年首张"黑洞”照片发表于世,引起了广泛讨论。那么黑洞到底是什么?宇宙中的双黑洞又是怎么样形成的?
(湘潭大学,湖南省 湘潭市 411005)
摘要:什么是黑洞?大部分人了解的黑洞只知道是在宇宙中存在的。广义相对论中,对于黑洞的定义就是在时光中连光都无法逃逸的区域,黑洞是神秘的。2019年首张"黑洞”照片发表于世,引起了广泛讨论。那么黑洞到底是什么?宇宙中的双黑洞又是怎么样形成的?

 
           一、什么是黑洞?
           "黑洞”这一说法是在1968年由约翰·惠勒提出来的,但在很早之前有人提出一个致密天体的密度能够大到使光都无法逃逸的程度。这也是普通人对黑洞的认识,认为黑洞就是吸入一切包括光且没有逃出的部分。黑洞的"黑”可以说是绝对的,因为它不会向外界反射任何东西,发出任何光线和任何形式,不同长度的电磁波可以像"无底洞”甚至光一样被吸收。
           关于黑洞的更准确的说法是黑洞是中心的奇点,具有无限密度,无限高的时间和空间曲率,无限小的体积,以及周围天空的一部分。这个天区范围之内不可见是广义相对论预言的一种特殊天体。它的最基础的特性是有一个为‘视界’的封闭边界;这个视界只进不出,能通过所有但是无法逃逸。霍金等人在量子力学的基础上经过精密计算,结果黑洞可以稳定地往外发射粒子类似于"蒸发”,由于有了这种活动黑洞就不能被称为绝对"黑”的了。研究还表明,每个黑洞都有自己的温度,此温度与质量成反比。"蒸发”的现象的活跃程度也与温度相关,大黑洞的蒸发很轻微,太阳大小的黑洞蒸发完需要300天左右。而小黑洞的蒸发很猛烈类似爆发,行星大小的黑洞只需一秒。
           由于光锥结构的存在,类时间的无限性和类空间以及类光的无限性。因此相对论性时空也有了类时过去无穷远和未来无限远,类空无限远,类光过去无穷远和未来无限远这五种无限远。在未来类无限远这一时空区域中过去发出的光是可以逃逸到无限远,如图(b)那些并不是在未来类无限远点发出的光就无法达到,分隔出的这一时空区域就是黑洞的区域,如图(a),在这个区域中连光都无法实现逃逸。
 
           二、黑洞的产生
           黑洞是恒星的最终归宿的一种,黑洞的产生过程类似于中子星:恒星的核心因为受到自身重力的作用下进行压缩,坍塌,超强度爆炸。直到核心中全部变成为中子收缩的过程就会停止,内部的空间,时间也伴随着星体的压缩而压缩,黑洞又有所不同因为核心质量很大收缩一直存在一直进行,中子自身压缩剩下一个密度极高的物质,质量越高产生引力越强,就能吸收旁边临近的所有物体。
           黑洞按照质量来分类可以分为:原初黑洞、超大质量黑洞、恒星级黑洞这么三种类型,原初黑洞在极早期形成它有普朗克长度量级的半径,普朗克质量量级的质量,所以原初黑洞十分的小。恒星级黑洞这种黑洞的质量在几个到三百以下的太阳质量之间,超大质量黑洞其质量在百万亿级别的太阳质量之间,这样的黑洞是通过多个星系的归并整合一起而成的,叫为活动星系核,他们的能源机制是由超大质量黑洞和吸积盘组成。能够释放十分巨大的能量,能辐射1光年的区域。
           三、超大质量黑洞
           哈勃太空望远镜,HST)以及斯隆数字巡天(斯隆数字巡天(SDSS),x射线和红外线调查项目的发展,一般的观察发现,正常星系和活跃星系中心有一个黑洞,恒星在星系核球的速度色散或核球光度和超大质量黑洞的质量中心的星系更密切相关,所谓M - sigma,是在活动星系中连续光谱发射线响应法测量黑洞质量的方法,和黑洞的宿主星系密切相关。M - sigma关系揭示了星系中心、活动星系及其超大质量黑洞的历史是一起演化的。此外,对一组高类星体红移的研究表明,宇宙只是现在时代的1/10,并且拥有宇宙中最大质量的黑洞质量对象,和活动星系核的大质量星系星系和一种成熟的今天,早期宇宙的高密度波动和超大质量黑洞的形成是重要的约束,还提供了宇宙再电离的证据。同时,多波段,特别是高能X射线和红外观测,给出了星系形成层次结构模型中超大质量黑洞生长过程的重要信息,以及小尺度结构(暗物质晕)先出现,然后不断通过合并形成的结构越来越大。当两个质量相当暗的物质晕合并后,可能形成椭圆星系。以等级结构为例做假设,黑洞通过主合并过程以不同的红移从小到大连续形成超大质量黑洞,这可以解释许多被发现到的类星体的演化特征。在星系的演化过程中,在不同的红移下必须有许多二元甚至三体系统的大质量黑洞产生。
           四、空间可分辨的超大质量双黑洞
           具有双重黑洞的引力束缚态系统,是相互作用星系的典型代表。长峰光谱观测和宽频带图像观测也表明Mkn739是一种合并塞弗特。宇宙中大量的相互作用星系的发现,有力地证明了宇宙中存在着大量黑洞。在十分明亮的HXMM01毫米宽的亚毫米星系中,在850um流量高达20mJy,是已知最亮的亚毫米星系(SMG)。通过测定尘埃温度,恒星的形成速度(2000±400) M⊙ yr−1,。通过地上的凯克望远镜近红外k波段自适应光学观察,经过SMA的灰尘连续辐射观测和JVLA观察等手段分析相应的成分,发现源包含两个亮度成分,通常是看到在星系合并潮汐尾(气)。从亚毫米到紫外SED拟合,两个合并星系的质量分别为(9 ± 2) × 1011M⊙ 和(1.3 ± 0.3) × 1011M⊙.两者之间的投影距离约为19kpc,HXMM01不是一颗恒星爆炸的星系NGC 6240是两个星系合并的结果,如非常轻的红外星系。由于星系碰撞,恒星的形成速度非常高。它大致是两个光学核,因为有很多气体和尘埃被光学望远镜观测到,很难到中心区域,但星系的中心部分X射线可以通过气体和尘埃观测到。钱德拉x射线望远镜的观测结果表明,存在于星系中心的两个明亮的x射线核,这意味着两个超大质量黑洞都在吸积,它们之间的投影距离为700pc。根据证据动力学,两个超大质量黑洞系统还没有引力束缚,
           漩涡星系NGC 3393之前的x射线和其他波长的观测表明,NGC 3393中心存在一个单独的超大质量黑洞。但是长时间使用钱德拉观察发现,NGC 3393中心有两个活跃的恒星核心(活动星系NucleusSee,AGN),每在一个超大质量黑洞AGN,两个黑洞之间的距离大约135pc,NGC 3393也有1.6 gyr离地球有距离,也被认为是距离最短的已知的超大质量黑洞双星系统。系统总质量估计为1.5 × 108M⊙。
参考文献
[1]蔡荣根,曹利明,胡亚鹏.黑洞物理.27卷第五期10.13405.
[2]蔡荣根,曹利明黑洞的本质.科学通报、2016,61:2083-2092.
[3]袁亚飞,宇宙中的双黑洞.中国科学:物理学、2017年第47卷第1期:010402.
[4]江林华,吴学兵,王然,等、高红移类星体的观测.科学通报、2015,60:2387-2395.
[5]王伟,赵永恒,黑洞认证的新进展.天文学进展、2002,vol.20,No.1、p145.8.
[6]张天荣,引力波与黑洞.自然杂志、201602002.
[7]冯中文,黑洞的演化与引力波的相关问题研究、电子科技大学.
 
 
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