黑洞gydF4y2Ba
一个gydF4y2Ba黑洞gydF4y2Ba是一个gydF4y2Ba时空gydF4y2Ba的吸引力gydF4y2Ba重力gydF4y2Ba强大到连光都逃不掉。因此,黑洞是肉眼看不到的,尽管它们可以通过附近的光和物质的行为被探测到。gydF4y2Ba
研究得最充分的黑洞是由恒星在自身质量的引力作用下坍缩而形成的,但理论上任何质量的黑洞都可以存在,甚至小到一个原子。gydF4y2Ba
超大质量黑洞,比如位于银河系中心的黑洞,对于研究星系和整个宇宙的发展是最重要的。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。人们相信,每个星系都以一个这样的超大质量黑洞为中心。gydF4y2Ba
因为方程gydF4y2Ba广义相对论gydF4y2Ba爱因斯坦的引力在黑洞的中心分解,这是一个能量密度巨大的区域,人们对黑洞进行了密集的研究,以寻找其中的线索gydF4y2Ba量子力学gydF4y2Ba而广义相对论可以结合起来形成一个统一的“量子引力”理论,如gydF4y2Ba弦理论gydF4y2Ba.gydF4y2Ba
内容gydF4y2Ba
逃逸速度和事件视界gydF4y2Ba
黑洞是爱因斯坦广义相对论的自然预测。广义相对论描述了时空如何响应gydF4y2Ba质量gydF4y2Ba以及质量如何对弯曲时空做出响应。当时空因为附近没有质量而完全平坦时,穿过时空的物体保持恒定速度。但当有其他质量存在时,时空就会发生弯曲,物体就会向质量加速。的gydF4y2Ba逃逸速度gydF4y2Ba是物体远离质量所需的足够远的速度,使它不再受引力的影响,也就是到无穷远。gydF4y2Ba
逃逸速度由gydF4y2Ba ,在那里gydF4y2Ba 是牛顿引力常数,gydF4y2Ba 逃逸物体的质量,和gydF4y2Ba 是物体的半径。gydF4y2Ba
物体的逃逸速度:gydF4y2Ba
物体在牛顿引力下的逃逸速度可推导为:gydF4y2Ba
黑洞的事件视界相当于黑洞周围逃逸速度等于光速的一组点:gydF4y2Ba .(就尺度而言,地球表面的逃逸速度为gydF4y2Ba )。因为逃逸速度会随着你越接近球对称质量分布而增加,所以比视界更接近黑洞的物体需要比光速更快的速度才能逃逸。但由于不可能比光速更快,任何东西都无法逃脱。因此,事件视界可以被认为是一个边界,将内部发生的一切与世界的其他部分隔开。gydF4y2Ba
请注意,用牛顿逃逸速度来描述一个固有相对论性物体附近的质量运动在技术上是不正确的。幸运的是,在完整的相对论计算中,答案是相同的。gydF4y2Ba
史瓦西半径gydF4y2Ba
黑洞是一种质量巨大的物体,由于密度过大,在自身引力的作用下,黑洞会向内坍缩。史瓦西半径gydF4y2Ba 定义为到球对称质量分布的距离,在这个距离上,从球的逃逸速度等于光速,即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,这个球就看不见了:它就是一个黑洞。gydF4y2Ba
史瓦西半径可以通过代入来计算gydF4y2Ba 代入上面的逃逸速度方程:gydF4y2Ba
用gydF4y2Ba 给了gydF4y2Ba
的规模,gydF4y2Ba 太阳大约3公里,和gydF4y2Ba 因为地球只有9毫米厚由于太阳和地球的半径都比这两个数字大得多,所以它们都不是黑洞,正如人们所希望和期待的那样。gydF4y2Ba
史瓦西半径是根据德国物理学家卡尔·史瓦西的名字命名的,1915年,他在第一次世界大战期间在俄国前线作战,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”这个名字也恰好直译为“黑盾”。gydF4y2Ba
奇异点gydF4y2Ba
奇点是时空曲率未定义或发散的点。在广义相对论中,黑洞的中心可能在一个质量密度无穷大的单点处包含奇点。引力变得如此之强,以致于任何其他力(包括静电斥力和强核力或弱核力)都无法阻止质量不断向自身内部坍缩,从而产生一个密度无穷大的点。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如果被压缩到史瓦西半径内,仍然会有视界,但没有奇点。虽然从天文学上观察黑洞是肯定存在的,但人们还不知道在黑洞的奇点附近会发生什么,甚至不知道真正的奇点是否存在。由于黑洞中心附近的能量密度如此之高,高能物理/量子引力理论(如弦理论)可能会产生阻止奇点形成的效应。gydF4y2Ba
即使不知道黑洞中心发生了什么,仍然有可能描述它周围发生了什么。经典(非量子)广义相对论中的一个定理被称为“无毛定理”,该定理指出,在视界之外,与物理有关的唯一变量是黑洞的总质量、总角动量和总电荷。(“无毛”中的“头发”指的是比这些一般品质更具体的细节。)事件视界内质量的具体分布并不重要,其他细节也不重要,比如黑洞中的质量/能量主要由物质还是反物质组成。gydF4y2Ba
从数学上讲,没有视界的奇点也有可能存在,尽管大多数物理学家拒绝承认宇宙中存在这样一个“裸露的”奇点。根据数学观察,任何可以设计用来揭露黑洞奇点的过程似乎都是失败的,罗杰·彭罗斯提出了“宇宙审查假说”。该假说认为,宇宙中所有的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无法越过视界到达外部世界)。然而,这个假设还没有得到证实:所谓的“裸奇点”可能存在,事实上,近年来许多物理学家已经表明,至少在某些时空(虽然还不是物理宇宙)中,裸奇点是可能存在的。gydF4y2Ba
SpaghettificationgydF4y2Ba
“意大利面化”是一个异想天开的术语,指的是由于巨大的潮汐力,落入黑洞的物体如何被拉伸。gydF4y2Ba
原则上,只要物体的一端和另一端的重力强度有差异,就会发生“意大利面化”。例如,如果你站起来,你头上的重力比你脚上的重力小,因为你的脚更接近地球的中心。在黑洞附近,情况也是如此,但你的脚和头之间的引力强度差异要大得多。因为你的脚比你的头更快地向洞的中心加速,你会像一片意大利面一样伸展开来。gydF4y2Ba
根据黑洞质量的不同,“意大利面”现象实际上可能发生在视界之外,因此可以被遥远的观测者观测到,特别是如果下落的物体是一个大的光源,如恒星。这是由于黑洞的引力强度是巨大的,无论你是否在视界内。gydF4y2Ba
形成与演化gydF4y2Ba
恒星死亡gydF4y2Ba
黑洞形成的机制之一是恒星死亡。当一颗恒星耗尽了它的燃料储备,它就会爆炸成碎片,燃烧剩下的燃料,产生一个gydF4y2Ba超新星gydF4y2Ba即恒星死亡时突然爆发的能量。超新星的形成是由于核心中正在进行的核反应突然中断,从而引起爆炸,使恒星的粒子以宇宙冲击波的形式迅速远离它。超新星释放的能量大约相当于一颗中等大小的恒星在其整个生命周期中释放的能量。超新星是高度不稳定的,存在大约一个月后,剩余的质量在自身引力作用下坍缩,形成一个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。如果恒星的质量超过太阳质量的3倍,它最终将坍缩成黑洞。这种中子星的大小极限被称为托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限。gydF4y2Ba
黑洞吸积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较致密的恒星时形成的,据说是这样gydF4y2Ba合生gydF4y2Ba更多的粒子,经常形成一个天文结构称为gydF4y2Ba吸积盘gydF4y2Ba.吸积盘可以在黑洞周围形成,它们看起来类似中子星或白矮星上的吸积。gydF4y2Ba
右边是LMC X-1(左边明亮的星团)的ROAST x射线图像。这个明亮的星团是一个吸积盘gydF4y2Ba大麦哲伦云gydF4y2Ba在大质量恒星附近发出x射线,天文学家可以探测到。这颗恒星不可见,但据估计其质量是太阳质量的5倍或更多,是黑洞的候选者。在图像的右侧,可见质量为1个太阳或更低的普通恒星。gydF4y2Ba
双极物质抛射gydF4y2Ba
探测黑洞的一种方法是寻找从局部时空区域快速喷出的质量。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,它可能被高速抛出,方向由黑洞的旋转所决定。这个过程被称为双极流。然而,抛射质量也可能来自于增加质量的中子星。中子星和黑洞之间的关键区别是物体质量的大小,而估计喷射粒子的看不见的物体的质量是证明双极性质量与黑洞有关的关键手段。gydF4y2Ba
双黑洞系统gydF4y2Ba
LIGO实验,宣布了首次探测到gydF4y2Ba引力波gydF4y2Ba2016年2月11日[1],观测到引力波来自一个双黑洞系统,该系统由两个各约30个太阳质量的黑洞组成。在双黑洞系统中,两个黑洞相互围绕。在这种情况下,两个黑洞相互激励,直到碰撞,形成了一个黑洞。这两个黑洞的合并产生了膨胀和收缩的时空波,这些波从新黑洞传播出去,也就是说,gydF4y2Ba引力波gydF4y2Ba.当它们穿过地球时,使地球发生了大约原子核宽度的膨胀和收缩,大到足以在干涉测量实验中被探测到。gydF4y2Ba
霍金辐射gydF4y2Ba
尽管没有任何东西能从视界内逃脱,黑洞仍然会从视界释放出一种叫做gydF4y2Ba霍金辐射gydF4y2Ba,通过这个过程,它们将能量转移到周围的空间。启发式地说,当粒子/反粒子对在黑洞的视界附近产生时,这个过程就会发生,当一个粒子掉入黑洞时,一个粒子就会逃离黑洞。然而,这种解释在数学和物理上都不十分精确。gydF4y2Ba
由于霍金辐射的能量损失,一个由坍缩的恒星形成的黑洞要完全蒸发,至少需要比当前宇宙年龄长57个数量级的时间。然而,非常小的黑洞,比如一些人担心在大型强子对撞机中可能产生的黑洞,在由于霍金辐射而蒸发之前可以存在极短的时间。gydF4y2Ba
霍金辐射是gydF4y2Ba黑洞信息悖论gydF4y2Ba这是最近激烈研究的一个课题。如果一个具有有限熵的物体(因此在统计意义上也包含有限数量的信息)落入黑洞,但黑洞由于霍金辐射而蒸发,那么似乎该信息已经在违反霍金定律的情况下被永远摧毁了gydF4y2Ba热力学第二定律gydF4y2Ba.由此看来,信息在进入黑洞时必然会被摧毁,这与广义相对论中观察者在穿过视界的瞬间坠入黑洞时没有发生任何特殊情况的观点相矛盾。最近对这一悖论的解决表明,霍金辐射实际上包含了落入黑洞的任何物质的信息(即熵的相关性)。gydF4y2Ba
问题gydF4y2Ba
黑洞是一种任何东西都无法逃脱的空间区域。如果你考虑一个质量为M,半径为R的球形物体设从这个物体的逃逸速度为gydF4y2Ba 光速,你可以确定R和M之间的关系,gydF4y2Ba ,在那里gydF4y2Ba 是牛顿引力常数。这个半径叫做史瓦西半径,用gydF4y2Ba .如果质量M集中在半径小于gydF4y2Ba 那么你就有了一个黑洞,如果没有,就没有黑洞。gydF4y2Ba
根据上述关系,你可以确定黑洞的最小质量,因为粗略地说,史瓦西半径必须大于或等于康普顿波长,康普顿波长是静止物体所能定位的区域的最小大小。gydF4y2Ba
求黑洞的最小质量gydF4y2Ba .gydF4y2Ba
最后,一个额外的事情要考虑。这个结果对我们在自然界中看到的粒子质量意味着什么?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
科学杂志。gydF4y2Ba引力波,爱因斯坦的时空涟漪,首次被发现。gydF4y2Ba检索自2016年2月11日http://www.sciencemag.org/news/2016/02/gravitational-waves-einstein-s-ripples-spacetime-spotted-first-timegydF4y2Ba
[2]作者Krishnavedala -自有作品,CC By - sa 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=32941013gydF4y2Ba