1、BlackHole黑洞的科普選修課Introduction to black hole 黑洞是時空曲率大到光都法從其視界逃脫的天體 Physicists 歷史上，第一個意識到一個致密天體密度可以大到連光都無法逃逸的人是英國地理學家John Michell。他在1783年寫給亨利卡文迪什一封信中提出這個想法的，他認為一個和太陽同等質量的天體，如果半徑只有3公里，那么這個天體是不可見的，因為光無法逃離天體外表。米切爾預言的黑洞拉普拉斯預言的黑洞 1798年，法國拉普拉斯預言： 一個與地球密度相同，而直徑為太陽250倍的星球，它發射的光將被其自身的引力拉住而不能被我們接收。宇宙中最明亮的天體很可能是

2、看不見的。 PierreSimon Laplace(1). 愛因斯坦廣義相對論關于“質量引起時空彎曲” 史瓦西預言的黑洞史瓦西預言的黑洞 德國天文學家卡爾史瓦西（18731916年）通過計算愛因斯坦方程后預言： 如果將大量物質集中于空間一點，其周圍會產生奇異現象，即在質點的周圍存在一個界面“視界”，一旦進入這個界面，即使光也無法逃脫。(2). 史瓦西預言的黑洞 天體半徑到達左式范圍時光線也無法逃脫 令v=c，該式就變為拉普拉斯公式 美國物理學家惠勒將這類天體命名為“黑洞Black Holes史瓦西預言的黑洞(3).質量足夠大或者體積足夠小的恒星都能演化成黑洞 質量不變太陽壓縮到半徑3km時地球

3、到半徑3mm時黑洞角色主序星（太陽）白矮星中子星黑洞半徑70萬千米1萬千米10千米3千米平均密度1.4 g / cm31 T / cm31 億噸 / cm3100 億噸 / cm3表一 主序星、白矮星、中子星、黑洞時的尺度與密度Karl Schwarzschild Albert Einstein Stephen William Hawking Evolution of black holes天體內部向內收縮 向外擴張 萬有引力物質粒子之間的斥力 來源 主序星的擴張斥力來自熱核反應導致的粒子間的高溫熱運動形成的輻射壓，輻射壓與引力壓平衡； 白矮星阻止自身發生引力坍縮的外向斥力，主要來源于高密度電

4、子間的泡利斥力； 中子星阻止自身發生引力坍縮的外向斥力則來自中子之間的泡利斥力（簡并壓）；黑洞內部未知兩種力量的較量及結局 兩種力量的較量 (2).恒星演化的最終產物 內部的核燃料耗盡時，熱核反應熄火，外向的輻射壓消失，失去了抗衡而大獲全勝的引力使紅巨星發生急劇的坍縮，坍縮又引起反彈和爆發，爆發使大量物質被拋射。 坍縮和爆發的壓力進而使核心被壓縮成致密的星核，而致密星核又分化為白矮星、中子星、黑洞。視頻：黑洞的產生中子星的奧本海默極限如果中子星的質量超過3.2 m(太陽質量的3.2倍)（精細的模型給出值在23 m之間），則其的中子間的泡利斥力就再也阻擋不住星體引力坍縮，會進一步被壓縮成一個體積

5、很小而質量巨大的高密度引力源黑洞。上述3.2 m（常記作3）的中子星界限被稱作“奧本海默極限”，任何超此極限的恒星都難以停留在中子星階段。 奧本海默（19041967）在1939年研究提出吸積accretion by black hole黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的，這一過程被稱為吸積。 恒星被黑洞吞噬黑洞拉伸，撕裂并吞噬恒星 蒸發 Black hole evaporation20世紀70年代，英國科學家霍金等人以量子力學為根底，對黑洞作了更縝密的考察，結果發現黑洞會像“蒸發那樣穩定地往外發射粒子。 消滅Black hole destruction當黑洞的質量越來越小時，

6、它的溫度會越來越高。這樣，當黑洞損失質量時，它的溫度和發射率增加，因而它的質量損失得更快。這種“霍金輻射對大多數黑洞來說可以忽略不計，因為大黑洞輻射的比較慢，而小黑洞那么以極高的速度輻射能量，直到黑洞的爆炸。 黑洞會發出耀眼的光芒，體積會縮小，甚至會爆炸。當英國物理學家史蒂芬霍金于1974年做此預言時， 整個科學界為之震動Observation of black holes這幅圖片展示了一個微類星體。微類星體據信是質量與恒星相當的小黑洞。如果掉入這個黑洞，你能夠穿過黑洞的邊界，也就是事件視界。即使尚未被巨大的引力碾碎，你也無法從這個黑洞的后部穿出，逃離升天。等待你的將是無邊無際的黑暗，任何人也

7、看不到你。黑洞之旅將是一個致命的旅程。如果一個人膽敢進入黑洞，他/她最終將被可怕的引力撕裂。這幅照片由錢德拉X射線望遠鏡拍攝，展示了半人馬座A星系內一個超大質量黑洞產生的影響。美國宇航局最近宣布，他們第一次觀測到附近一個星系內發生的黑洞“誕生過程。這個黑洞由爆炸的恒星形成。據“探索新聞報道，這個“嬰兒黑洞位于M-100星系，距地球大約5000萬光年。這一發現讓宇航局陷入興奮之中，因為他們終于知道了一個黑洞的“出生日期，進而讓科學家對黑洞的研究到達一個前所未有的程度。藝術概念圖，展示了一個類星體。這個類星體位于一個星系中央，是一個超大質量黑洞，四周被旋轉的物質環繞。類星體是處于早期階段的黑洞，可

8、能存在了數十億年之久。它們據信在宇宙古代形成。由于被物質遮住，發現類星體并非易事。一幅偽色圖片，所用數據來自于美國宇航局的斯皮策和哈勃望遠鏡，一個超大質量黑洞正向外噴射巨大的粒子噴流。宇航局表示，這個噴流的長度到達10萬光年，體積相當于我們的銀河系。萬花筒般的色彩說明噴流擁有不同的光波。人馬座A星系中央存在一個超大質量黑洞。宇航局認為這個黑洞的質量相當于40億顆太陽。Part.8 結語 美國宇航局2021年11月15日發現地球附近有一個年僅30歲的黑洞，這也是人類科學史上發現的最年輕的黑洞。 這個最年輕的黑洞是天文學家利用美國宇航局的錢德拉X射線望遠鏡發現的，它為觀測這類嬰兒期天體提供了獨一無

9、二的時機。美國宇航局聲稱，這個黑洞將能夠幫助科學家更好地理解大質量恒星是如何爆炸的，恒星爆炸后留下的是黑洞還是中子星，以及銀河系和其他星系黑洞的數量。 這個30歲的黑洞是距離地球約5000萬光年的M100星系中的超新星“SN1979C的余燼。根據錢德拉X射線望遠鏡、美國雨燕衛星、歐洲宇航局牛頓X射線天文望遠鏡(XMM-Newton )以及德國倫琴衛星獲得的數據顯示一個明亮的X射線源，這個X射線源在1995年到2007年這段觀測期內一直非常穩定，這說明這個天體是一個黑洞，它正在吞噬這顆超新星和伴星落下的物質。 分類 質量 大小 /wiki/%E8%B6%85%E9%87%8D%E9%BB%91%E6%B4%9E 1051010 M太陽 0.001400 AU /wiki/%E4%B8%AD%E4%BB%8B%E8%B3%AA%E9%87%8F%E9%BB%91%E6%B4%9E 103 M太陽 103 km R地球 /wiki/%E6%81%86%E6%98%9F%E9%BB%91%E6%B4%9E 10 M太