第九章 黑洞
§9.1 相对论简介 §9.2 Schwarzschild 黑洞 §9.3 其他类型的黑洞，黑洞转动能的提取 §9.4 黑洞的量子效应 §9.5 黑洞的观察证认
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2020/7/7Байду номын сангаас
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1915年，Einstein发表广义相对论 (general relativity)
• MOpt > 9M⊙ →MBH > 2.9M⊙ • 光谱拟合
→MOpt =17.8M⊙, MBH =10.1M⊙ →Cygnus X-1必定是黑洞！
• 星系级黑洞
M~106- 109 M⊙ 通常位于星系核心
• Intermediate-Mass Black Holes?
Chandra X-ray Observatory has found new populations of suspected mid-mass black holes in several starburst galaxies, where stars form and explode at an unusually high rate.
物质 引力源 时空弯曲 (curved space)
引力场强弱 时空弯曲程度
例如：地球绕太阳运转可以认为是它沿着太阳周围四维时
空中的测地线运动。
• 黑洞周围的时空弯曲程度最大
• 引力半径（gravitational radius）
在引力半径Rg内的光子无法逃逸。 对Schwarzschild黑洞（不转黑洞），Rg = Rs （Schwarzschild半径） 12m2cGRsM mRs 2G c2 M= 3 km (M/M⊙)
天体的致密程度可以用Rs /R表示。
天体 太阳 白矮星 中子星
Rs /R 10-5.4 10-4
10-1
黑洞 1
• 在越致密的天体附近，光线弯曲的程度越大。
2. Schwarzschild黑洞的基本性质
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• 时间延迟 在黑洞附近的时钟比远处的时钟走得慢。 在视界处的时钟看上去完全停止。
Each flash takes longer to arrive, and is redder and fainter than the one before it.
Near the Event Horizon...
Jack Sees:
Jill Sees:
Laser flashes blue every second by Laser flashes come ~1 hour
Never sees the next flash…
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3. Kerr 时空
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4. 黑洞的量子效应
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黑洞的蒸发的总结
真空 正负(虚)粒子对 负粒子被吸收 → 黑洞质量减小 正粒子逃逸 → 带走能量 黑洞能损率→黑洞寿命 t E M3
dE/dt
当M=1 M⊙, t＝1067 yr； 当M=1015 g, t＝1010 yr （小黑洞已经蒸发）
5. 黑洞的观测证据
• 恒星级黑洞 途径：搜寻质量超过中子星质量上限（~2-3 M⊙） 的致密星。 确定致密天体性质：X射线辐射、时变 确定致密天体质量：双星轨道运动 X射线双星
黑洞候选天体Cygnus X-1
From Jack's point of view:
Sees the ship getting further away.
Flashes the laser every second by his watch.
Sees a blue beam leave the 2020/7l/7aser.
From Jill's point of view:
Universe vanishes as he crosses the horizon
Gets shredded by strong tides near the singularity and crushed to2i0n20f/7i/n7 ite density.
Sees one last laser flash after a long delay; flash is faint and at long radio wavelengths
• 强X射线源 • X射线辐射光变时标~1 ms
→ 辐射天体尺度 <108 cm →中子星或黑洞
• 光学伴星HDE226868
O9.7Iab型超巨星
• 光学观测
→轨道周期5.6天，光谱Doppler 位移
→视向速度曲线
→质量函数
Po2rK bGo3ptf(MX)M (1Xsqi)32ni=0.25M⊙
his watch
apart
The outside world looks distorted
Flashes are shifted to radio wavelengths and are getting fainter with each flash.
Down the hole...
Jack:
Jill: