黑洞gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba黑洞gydF4y2Ba是一个地区gydF4y2Ba时空gydF4y2Ba其中的吸引力gydF4y2Ba重力gydF4y2Ba太强壮了,甚至没有轻微的逃脱。结果,眼睛不可见黑洞,尽管它们可以从光线和附近的物质的行为中检测到。gydF4y2Ba
最良好研究的黑洞是由其自身质量的引力吸引下坍塌的星孔,但是任何质量的黑洞都可以理解均匀地以小于单个原子的尺寸。gydF4y2Ba
超大质量黑洞,如位于银河系中心的黑洞,是研究星系和整个宇宙发展最重要的黑洞。超大质量黑洞被定义为质量是太阳质量的数百倍甚至更大的黑洞。据信,每个星系都围绕着这样一个超大质量的黑洞。gydF4y2Ba
自那里的方程gydF4y2Ba广义相对论gydF4y2Ba这使得爱因斯坦的重力分解在黑洞的中心,一个巨大的能量密度,黑洞的区域被强烈地研究了关于如何的线索gydF4y2Ba量子力学gydF4y2Ba并且可以组合通用相对性以形成统一的“量子重力”理论,例如gydF4y2Ba弦理论gydF4y2Ba.gydF4y2Ba
内容gydF4y2Ba
逃避速度和事件视野gydF4y2Ba
黑洞是爱因斯坦的一般相对论理论的自然预测。一般相对性描述了如何响应时空弯曲gydF4y2Ba大量的gydF4y2Ba以及质量如何响应弯曲的时空而运动。当时空是完全平坦的,因为附近没有质量时,通过它的物体会保持恒定速度。但当有其他质量存在时,时空就会弯曲,物体就会向有质量的物体加速。的gydF4y2Ba逃逸速度gydF4y2Ba是物体离开质量足够远而不再受重力影响所需要的速度,也就是说,到无穷远。gydF4y2Ba
逃逸速度是gydF4y2Ba ,在那里gydF4y2Ba 牛顿的引力常数,gydF4y2Ba 是待逃脱的物体的质量和gydF4y2Ba 为物体的半径。gydF4y2Ba
逃避对象的速度:gydF4y2Ba
物体在牛顿引力作用下的逃逸速度可推导为:gydF4y2Ba
黑洞的视界相当于黑洞周围的一组点,在这些点上逃逸速度等于光速:gydF4y2Ba .(在比例上,地球表面的逃逸速度是gydF4y2Ba 。)由于逃避速度随着球体对称的批量分布而增加,所以靠近黑洞的物体比事件范围更靠近的黑洞需要比光速更快地移动,以便逃脱。但由于不可能比光速更快地移动,因此没有什么可以逃脱。因此,活动视野因此被认为是屏幕从世界其他地区内部发生的一切的边界。gydF4y2Ba
请注意,使用牛顿逃生速度来描述固有的相对论物体附近的群众的运动在技术上没有正确。幸运的是,答案在完全相对论的计算中突出了相同的作用。gydF4y2Ba
史瓦西半径gydF4y2Ba
黑洞是一种质量巨大的物体,其密度如此之大以至于在自身引力的作用下坍缩。史瓦西半径gydF4y2Ba 定义为与球对称质量分布的距离,在该质量分布下,从球体逃逸的速度等于光速,也就是说,它是事件视界的位置。如果这个距离大于质量球本身的半径,事件视界就在质量球的外面,而这个球是看不见的:它是一个黑洞。gydF4y2Ba
史瓦西半径可以通过代入来计算gydF4y2Ba 进入上面逃生速度的等式:gydF4y2Ba
解决方案gydF4y2Ba 给了gydF4y2Ba
为规模,gydF4y2Ba 对于太阳约3公里,而且gydF4y2Ba 因为地球只有9毫米。由于太阳和地球的半径都比这两个数字大得多,所以正如人们所期望的那样,它们都不是黑洞。gydF4y2Ba
史瓦西半径的命名具有历史意义。史瓦西半径是以德国物理学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)的名字命名的,他在1915年第一次世界大战期间在俄国前线作战时提出了爱因斯坦场方程的第一个非平凡解。具有讽刺意味的是,“史瓦西”这个名字也恰好被直译为“黑盾”。gydF4y2Ba
奇点gydF4y2Ba
奇点是时空曲率是未定义的或发散的点。一般相对性的黑洞中心可以在单点无限质量密度下含有奇点。引力变得如此强,即没有其他力(包括静电排斥和强或弱核力量)可以防止质量进一步塌陷并进一步入住,导致无限密度的点。gydF4y2Ba
然而,视界的存在并不一定意味着密度无穷大的点的存在。一个密度有限的物体被压缩在史瓦西半径内仍然会有视界,但没有奇点。虽然黑洞在天文学上被观测到确实存在,但我们还不知道在黑洞奇点附近会发生什么,甚至不知道是否存在真正的奇点。由于黑洞中心附近的能量密度非常高,因此可能会出现阻止奇点形成的高能物理和量子引力理论的影响。gydF4y2Ba
即使在不知道黑洞的中心发生的情况下,它仍然可以描述它周围发生的事情。被称为“无头发定理”的古典(非量子)一般相对性的定理表明,在事件范围之外的物理学方面的唯一变量是总质量,总角动量和电荷总额黑洞。(“无头发”中的“头发”是指比这些一般品质更具体的细节。)事件范围内的质量的具体分布无关紧要,也不是其他细节,如黑洞中的质量/能量是否如主要是事物或反物质的组成。gydF4y2Ba
从数学上讲,奇点也有可能在没有视界的情况下存在,尽管大多数物理学家拒绝承认这样一个“裸”奇点存在于宇宙中。根据数学观察,任何可以揭示黑洞奇点的过程似乎都失败了,罗杰·彭罗斯提出了“宇宙审查假说”。这个假说认为,宇宙中的所有奇点都包含在视界内,因此原则上是不可观测的(因为关于奇点的任何信息都不能使它通过视界进入外部世界)。然而,这一假设尚未得到证实:所谓的“裸奇点”可能存在,而且近年来许多物理学家已经证明,至少在某些时空(虽然还不是物理宇宙),裸奇点是可能的。gydF4y2Ba
意外化gydF4y2Ba
“意外化”是一种异想天开的术语,用于将物体落入黑洞由于大规模的潮汐力而延伸。gydF4y2Ba
原则上的面积意见发生在物体的一端之间的重力和另一端之间的差异存在差异。例如,如果你站起来,头部的重力力小于你脚上的重力的力量小,因为你的脚更靠近地球的中心。在一个黑洞附近,同样是真的,但你的脚和头部之间的重力力量都要大得多。因为你的脚比你的头速度加速到洞的中心,你会像一块意大利面条一样伸展。gydF4y2Ba
根据黑洞的质量,实际上可能出现外围环境,因此可以观察到遥远的观察者,特别是如果缺管体是大型光源,例如恒星。这是由于黑洞的引力强度是巨大的,无论是在事件范围内的内部。gydF4y2Ba
形成和演变gydF4y2Ba
恒星死亡gydF4y2Ba
黑洞形成的一种机制是明星死亡。当星星用完其燃料储存时,它爆炸成碎片,燃烧其剩余燃料并产生一个gydF4y2Ba超新星gydF4y2Ba指恒星在死亡时突然爆发的能量。超新星的形成是由于恒星核心正在进行的核反应突然中断,导致爆炸,以宇宙冲击波的形式将恒星的粒子迅速地送离它。超新星所释放的能量大约等于一颗中等大小的恒星在其整个生命周期中所释放的能量。超新星是高度不稳定的,在其剩余质量在自身重力作用下坍塌之前,它会存在大约一个月gydF4y2Ba中子星gydF4y2Ba.中子星是已知的密度最大的恒星(虽然不是理论上密度最大的可能恒星)。这颗恒星的最终命运取决于它的质量。如果恒星的质量大于太阳质量的3倍,它最终会坍缩成一个黑洞。这个中子星大小的极限被称为托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限。gydF4y2Ba
黑洞增孔gydF4y2Ba 双星系统中的致密恒星,特别是吸积双星系统,也可能形成黑洞。吸积双星系统通常是在质量较低的恒星膨胀成更致密的恒星时形成的gydF4y2Ba合生gydF4y2Ba更多的颗粒,通常形成称为天文结构gydF4y2Ba吸积盘gydF4y2Ba.吸积盘可以在黑洞周围形成,它们看起来类似于中子星或白矮星上的吸积。gydF4y2Ba
右侧是LMC X-1的烘焙X射线图像(左侧的明亮群)。这个明亮的群集是一个吸收磁盘gydF4y2Ba大麦哲伦云gydF4y2Ba在天文学家可以探测到的大质量恒星附近释放出x射线。这颗恒星是不可见的,但据估计其质量相当于5个太阳的质量或更多,是黑洞的候选者。在图像的右侧,可以看到1倍太阳质量或更低的普通恒星。gydF4y2Ba
双质量喷射gydF4y2Ba
探测黑洞的一种方法是寻找来自时空局部区域的快速抛射质量。一些吸积到黑洞上的物质可能会获得大量的角动量,推动黑洞超过逃逸速度。然后它可能会在黑洞旋转的方向上以很高的速度被甩出去。这个过程称为双极流。然而,抛射质量也可能来自吸积质量的中子星。中子星和黑洞之间的关键区别是物体质量的大小,而估计正在喷射粒子的看不见的物体的质量是证明双极质量与黑洞有关的关键手段。gydF4y2Ba
二元黑洞系统gydF4y2Ba
Ligo实验,宣布首次检测gydF4y2Ba引力波gydF4y2Ba2016年2月11日,[1]观测到的引力波来自一个由两个大约30个太阳质量的黑洞组成的双黑洞系统。在双黑洞系统中,两个黑洞相互绕着轨道运行。在这种情况下,两个黑洞相互吸入,直到它们相撞,形成一个黑洞。这两个黑洞的合并产生了时空扩张和收缩的波,这些波从新的黑洞扩散出去,gydF4y2Ba引力波gydF4y2Ba.当他们通过地球时,它们导致地球通过大约围绕原子核的宽度来扩展和收缩,在干涉测量实验中被检测到。gydF4y2Ba
霍金辐射gydF4y2Ba
尽管没有任何东西可以从视界中逃脱,黑洞仍然从视界中释放出一种辐射gydF4y2Ba霍金辐射gydF4y2Ba,他们失去了周围空间的能量。启发式上,这种过程发生作为粒子/抗粒子对在黑洞的事件范围附近产生的粒子/抗粒子对,并且一个粒子从黑洞逸出,因为另一个落入。然而,这种解释并不是非常数学或物理上精确。gydF4y2Ba
由于霍金辐射的能量损失,由恒星坍塌产生的黑洞要完全蒸发,至少需要比宇宙当前年龄多57个数量级的时间。然而,极小的黑洞,比如一些人担心可能在大型强子对撞机中产生的黑洞,可以存在极短的时间,然后由于霍金辐射蒸发。gydF4y2Ba
霍金辐射是核心的gydF4y2Ba黑洞信息悖论gydF4y2Ba是最近的研究的主题。如果具有有限熵的物体(因此在统计意义上的一些有限量的信息,因此统计学意义上)落入黑洞,但是由于霍金辐射,黑洞蒸发,似乎信息已违反信息是永远被摧毁的gydF4y2Ba热力学的第二律gydF4y2Ba.这样看来,信息似乎在进入黑洞时就会被毁灭,这与广义相对论中一个坠入黑洞的观察者在他/她穿过视界的瞬间不会发生任何特别的想法是矛盾的。最近对这一悖论的解决方案表明,霍金辐射实际上包含落入黑洞的任何物质的信息(即熵的相关性)。gydF4y2Ba
问题gydF4y2Ba
黑洞是空间中任何东西都无法逃脱的区域。如果你考虑一个质量为M,半径为R的球形物体,并设它的逃逸速度为gydF4y2Ba ,光速,你可以确定r和m之间的关系,gydF4y2Ba ,在那里gydF4y2Ba 是牛顿的引力常数。这个半径称为Schwarzschild半径,表示为gydF4y2Ba .如果质量m集中到半径小于的区域gydF4y2Ba 然后你有一个黑洞,如果没有,没有黑洞。gydF4y2Ba
根据上述关系,您可以确定黑洞的最小质量,大致讲施瓦茨柴尔氏径必须大或等于康普顿波长 - 该区域的最小尺寸可以局限地静置的物体。gydF4y2Ba
求黑洞的最小质量gydF4y2Ba .gydF4y2Ba
最后,还有一件额外的事情要考虑。这个结果对于我们在自然界中看到的粒子的质量意味着什么?gydF4y2Ba
细节和假设gydF4y2Ba
- 引力常数的值是gydF4y2Ba .gydF4y2Ba
- 光速是gydF4y2Ba .gydF4y2Ba
- 普朗克常数是gydF4y2Ba .gydF4y2Ba
引用gydF4y2Ba
[1]科学杂志。gydF4y2Ba引力波,爱因斯坦的涟漪在时空,首次发现。gydF4y2Ba从http://www.sciencemag.org/news/2016/02/gravitations-waves-einstein-s-ripples-pacetime-spotted-firstodygydF4y2Ba
[2]由Krishnavedala - 自己的工作,cc by-sa 3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=32941013gydF4y2Ba