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，黑洞轉動能的提取§9.4黑洞的量子效應§9.5黑洞的觀察證認§9.1相對論簡介

1915年，Einstein發表廣義相對論(generalrelativity)物質

引力源

時空彎曲(curvedspace)引力場強弱

時空彎曲程度例如：地球繞太陽運轉可以認為是它沿著太陽周圍四維時空中的測地線運動。黑洞周圍的時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內的光子無法逃逸。對Schwarzschild黑洞（不轉黑洞），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黑洞的基本性質時間延遲 在黑洞附近的時鐘比遠處的時鐘走得慢。 在視界處的時鐘看上去完全停止。FromJack'spointofview:

Seestheshipgettingfurtheraway.Flashesthelasereverysecondbyhiswatch.Seesabluebeamleavethelaser.FromJill'spointofview:

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

Kerr時空

4.黑洞的量子效應真空

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

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

cm →中子星或黑洞光學伴星HDE226868

O9.7Iab型超巨星光學觀測 →軌道周期5.6天，光譜Doppler位移 →視向速度曲線 →質量函數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