关于黑洞的研究报告

关于黑洞的研究报告

黑洞的定义

黑洞的定义是逃脱的速度，必须达到逃脱引力施加在物体上。例如，地球的逃逸速度等于11公里/秒。任何想逃离地球引力的物体都必须走至少11公里/秒，不管是什么——火箭船或棒球。物体的逃逸速度取决于物体的体积，也就是物体的质量与半径的比值。黑洞是一个如此紧凑的物体，在一定距离内，即使光的速度也不足以逃脱。 黑洞的产生

一种常见的黑洞是由一些垂死的恒星产生的类型。一颗质量大于太阳质量20倍的恒星在其生命结束时会产生一个黑洞。在恒星的正常生命中，重力拉和压力推之间存在着不断的拉锯战。核反应在恒星的核心产生足够的能量向外推动。对于大多数恒星的生命来说，重力和压力是相互平衡的，所以恒星是稳定的。然而，当恒星耗尽核燃料时，重力占据上风，核心物质被进一步压缩。恒星的质量越大，压缩物质的引力越大，在它自身的重量下收缩。对于小恒星，当核燃料耗尽，没有更多的核反应来对抗重力时，恒星内部电子之间的排斥力最终会产生足够的压力阻止进一步的引力坍缩。然后星星平静地死去。这种类型的恒星被称为“白矮星”，当一个非常大的恒星耗尽其核燃料时，它会爆炸成超新星。恒星的外部部分猛烈地发射到太空中，而核心在其自身重量下完全崩溃。

要创建一个巨大的核心，一个祖先（祖先）的恒

星至少要比太阳大20倍。如果核是非常大的（大约

2.5倍的质量比太阳），没有已知的排斥力内的恒星可

以推回足够硬，以防止重力彻底崩溃的核心变成黑洞。

然后核心压缩成一个数学点，几乎是零体积，在那里

被称为无限密度。这被称为奇点。当这种情况发生时，

逃逸需要的速度大于光的速度。没有物体能达到光的

速度。黑洞的逃逸速度等于光的速度称为视界。任何

东西，包括光，穿过黑洞的视界永远被困住。

光也会被黑洞所吸引

牛顿认为只有质量的物体才能产生引力。应用牛顿的引力理论，可以得出结论，因为光没有质量，重力的影响不会影响它。爱因斯坦发现情况比那要复杂一点。首先，他发现重力是由弯曲的时空。爱因斯坦理论认为物体的质量和半径（它的紧凑性）实际上是时空的曲线。质量与空间联系在一起，物理学家今天仍然不完全理解。然而，我们知道物体的引力越强，物体周围的空间就越弯曲。换句话说，如果暴露在一个强大的引力场中，直线不再是直线的，而是弯曲的。因为光通常在直线路径上传播，所以如果光线穿过一个强大的引力场，它就会沿着一条弯曲的路径行进。这就是所谓的“弯曲空间”，这就是为什么光被困在黑洞中的原因。在1920的Arthur Eddington爵士证明爱因斯坦的理论，当他观察星光曲线时，它接近太阳。这是爱因斯坦关于广义相对论的首次成功预言。

描绘重力的这种效果的一种方法是想象一块橡皮布伸出。想象一下，你把一个沉重的球在中心的表。球的重量会使靠近它的板的表面弯曲。这是一个二维的图片重力对空间的三个维度。现在拿一块小大理石，把它从橡胶板的一边滚到另一边。而不是大理石采取直接路径的另一面，它将遵循的轮廓是弯曲的球重量的中心。这类似于物体（球）所产生的引力场如何影响光（大理石）。

黑洞的形状

黑洞本身是看不见的，因为没有光可以逃脱。事实上，当黑洞最初被假定为“看不见的

恒星”时，如果黑洞是看不见的，我们怎么知道它们的存在？这就是为什么在太空中很难找到黑洞的原因！然而，黑洞可以间接地观察到它对恒星和气体接近它的影响。例如，考虑双星系统，其中恒星非常接近。如果一颗恒星像超新星爆炸并产生黑洞，伴星的气体和尘埃可能会被拉向黑洞，如果伴星漂移太近。在这种情况下，气体和尘埃被拉向黑洞，并开始绕事件视界轨道，然后轨道黑洞。气体被严重压缩，原子间的摩擦将气体和尘埃的动能转化为热能，并发出X射线。利用来自轨道物质的辐射，科学家可以测量它的热量和速度。从循环物质的运动和热量，我们可以推断出黑洞的存在。在黑洞视界附近旋转的热物质称为吸积盘。

John Wheeler，一个著名的理论家，比较观察这些双星系统看白衣跳舞的黑衣人在一个昏暗的舞厅女礼服。你只看到女人，但你可以预测她们隐形伴侣的存在，因为女人围绕中心轴线旋转和旋转运动。寻找那些被隐形伙伴影响的恒星是天文学家寻找可能黑洞的一种方法。 黑洞是一个巨大的宇宙真空吸尘器

这个说法是“不是真的”，要理解这一点，首先要考虑为什么地心引力如此接近黑洞。黑洞的引力不是特别的。它不像任何其他物体那样吸引大距离的物质。在距离黑洞很长的距离，重力的力量下降的平方反比的距离，就像它的正常对象。

从数学上讲，任何球形物体的引力都表现为所有的质量集中在一个中心点上。因为大多数普通物体都有表面，当你在物体表面时，你会感受到物体的最大引力。这是接近它的总质量，你可以得到。如果你穿过一个质量恒定的球形物体，接近它的核心，你会感到地心引力变弱，而不是更强。你所感受到的重力取决于你内在的质量，因为你身后的重力完全是由相

反方向的质量抵消的。因此，当你站在

行星表面上时，你会感受到来自一个物

体（例如行星）引力的最强力，因为它

在表面上与它的总质量最接近。穿透行

星表面不会让你接触到行星的总质量，

但实际上会使你的质量降低。现在还记

得一个黑洞的大小是无限小的。黑洞附

近的引力非常强，因为物体可以非常接

近它并且仍然暴露在它的总质量中。

黑洞的质量没有什么特别之处。黑洞不同于我们普通的经验，不是因为它的质量，而是因为它的半径消失了。远离黑洞，你会感受到同样的重力强度，就好像黑洞是一颗普通恒星一样。但是重力接近黑洞的力量非常强大，因为你可以接近它的总质量！

例如，我们站在地球的表面是从6378公里的中心的地球。表面是接近，你可以得到，仍然暴露在总质量的地球。因此，在那里你会感受到最强烈的引力。如果突然地球变成了黑洞（不可能！）你在新地球黑洞的6378公里处，你会感受到和今天一样的重力引力。例如，如果你通常体重120磅，你仍然会重达120磅。地球的质量没有改变，你的距离并没有改变，因此你会遇到相同的重力，你觉得在表面上正常的地球。但随着地球黑洞，你将有可能接近的总质量的地球。假设你体重120磅站在正常地球表面。当你靠近地球黑洞的时候，你会感觉一股强大的力量。如果你去3189公里内（地球半径的正常半径的一半）的地球黑洞，你将重达480磅！与我们通常所经历的地球一样，如果你挖到3189公里的中心，你的体重会比表面少，仅仅是60磅，因为相对于你来说，地球内部的质量会减少！

作为另一个例子，考虑太阳。如果太阳突然变成黑洞（同样不可能！），地球将继续在正常轨道上运行，会像往常一样感受到来自太阳的重力！

因此，要被黑洞“吸”起来，你必须离得很近；否则，你会经历同样的重力，就好像黑洞是过去的普通恒星一样。当你接近一个黑洞，相对论效应变得重要，例如，逃逸速度接近，最终达到光的速度和一些非常奇怪的事情，如“事件视界效应”开始发生。

详情请查阅任何

关于黑洞的流行书籍。

什么样的恒星有可能成为黑洞

只有大质量恒星才能变成黑洞。我们的太阳，例如，是不是足够大，成为黑洞。四十亿年后，当太阳从其核心的可用核燃料耗尽的时候，我们的太阳将静静地死去。这种类型的恒星结束了他们作为白矮星的历史。更大质量的恒星，比如那些质量超过太阳质量20倍的恒星，最终会形成黑洞。当一颗巨大的恒星耗尽核燃料时，它就不能再承受自身的重量，开始崩溃。当这种情况发生时，恒星升温，外层的一些部分，通常还含有一些新的核燃料，再次激活核反应，并在所谓的超新星爆发。剩下的恒星的最核心部分，核心，继续崩溃。根据核的质量大小，它可以变成中子星，阻止坍缩，也可以继续坍缩成黑洞。核心的分裂质量决定了它的命运，大约有2.5个太阳质量。据认为，产生一个核心的2.5个太阳群众的祖先恒星应该开始超过20个太阳质量。由恒星形成的黑洞称为恒星黑洞。

恒星的种类

根据理论，可能有三种类型的黑洞：恒星，超大质量和微型黑洞-这取决于他们的大小。这些黑洞也形成了不同的方式。恒星黑洞的问题6。超大质量黑洞可能存在于大多数星系的中心，包括我们自己的银河系，银河系。它们的质量相当于数十亿个太阳。在星系的外层（我们的太阳系位于银河系内）恒星之间有着巨大的距离。然而，在星系的中心区域，恒星被紧密地聚集在一起。因为在中部地区的一切都是紧密包装开始，一个黑洞在银河系中心可以变得越来越大，因为恒星运行的事件视界，最终可以捕获引力，并添加他们的质量黑洞。通过测量靠近星系中心轨道的恒星的速度，我们可以推断

出一个超大质量黑洞的存在并计算其质量。与超大质

量黑洞的吸积盘垂直，有时会有两个热气流。这些喷

气机可以是数百万光年的长度。它们可能是由气体粒

子与黑洞周围强磁场旋转的相互作用引起的。哈勃太

空望远镜的观测提供了迄今为止存在超大质量黑洞的

最佳证据。

确切的机制，导致什么是已知的微型黑洞还没有

被精确识别，但已经提出了一些假设。其基本思想是，

微型黑洞可能是在“大爆炸”后不久形成的，它被认为是在大约150亿年前开始宇宙的。在宇宙生命的早期，某些物质的快速膨胀可能压缩了较慢的移动物质，从而收缩成黑洞。一些科学家推测黑洞可以在理论上“蒸发”并爆炸。“蒸发”所需的时间取决于黑洞的质量。非常巨大的黑洞需要一个比当前宇宙接受时间更长的时间。只有微型黑洞被认为能够在我们宇宙的存在时间内蒸发。一个黑洞在“大爆炸”时期形成的蒸发，今天它的质量必须1015g（即约2兆磅），有点超过两倍的电流智人人口对地球星球的质量。在“蒸发”的最后阶段，这样的黑洞会以我们最强大的核武器威力的数万亿倍爆炸。然而，到目前为止，还没有观测证据的微型黑洞。

黑洞首次被理论化

在1790年代后期使用牛顿定律，英国的John Michell和法国的Pierre LaPlace独立提出一个“看不见的星球的存在。”米歇尔和拉普拉斯计算的质量和大小-这是现在所谓的“视界”，一个对象需要以逃逸速度大于光速。在1967约翰惠勒，美国的理论物理学家，适用于“黑洞”这些倒塌的物体。

对黑洞存在的例子

天文学家已经发现在巨椭圆星系M87中心的黑洞的令人信服的证据，以及在一些其他的星系。这项发现是基于围绕黑洞的热气惠而浦的速度测量。1994，哈伯太空望远镜数据产生在M87

星云中心的一个看不见的物体的质量前所未有的测量。基于围绕中心旋转的物质

的动能（如：惠勒的舞蹈，见上面的问题4），物体的质量大约是我们太阳的30亿倍，并且似乎被浓缩成比我们太阳系小的空间。

多年来的X射线发射的双星系统天鹅座X-1说服许多天文学家，该系统包含一个黑洞。用更精确的测量，可最近，在天鹅座X-1黑洞的证据是非常强的。

对黑洞的研究

1915，阿尔伯特·爱因斯坦发展了广义相对论，早先的研究表明引力对光的运动有影响。只是在几个月以后，卡尔·史瓦西发现了一个解爱因斯坦场方程，它描述了一个点的质量和球质量的引力场。几个月后，史瓦西、Johannes Droste，Hendrik Lorentz的学生，独立给点质量相同的解决方案和更广泛的关于写它的性质。这个解决方案有什么是现在被称为史瓦西半径一个奇特的行为，它是奇异的，这意味着在爱因斯坦方程的一些术语成为无限。这个表面的性质在当时还不太清楚。1924，亚瑟爱丁顿表明，改变后的坐标奇点消失（见爱丁顿–芬克尔斯坦坐标），但直到Georges Lema 1933îTRE意识到这意味着奇异的史瓦西半径是一个物理的坐标奇点。亚瑟爱丁顿也评论一批量压缩在1926本书的史瓦西半径星的可能性，指出爱因斯坦的理论使我们能够排除可见的恒星像参宿四过于大密度因为“2亿5000万公里半径的明星也不可能有这么高的密度随着太阳。首先，引力的力量将是如此之大，光将无法逃脱它，射线回落到明星像一块石头对地球。其次，光谱线的红移将是如此之大以至于光谱将被移出存在。第三，质量会产生如此多的空间度量空间的曲率将关闭周围的明星，除我们以外（即无处）。

1931，苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡计算，

利用狭义相对论，电子简并物质超过一定极限

质量的非旋转体（现在称为钱德拉塞卡极限在

1.4米）没有稳定的解决方案。他的观点遭到许

多他的同时代的人喜欢爱丁顿和Lev Landau的

反对，他认为一些未知的机制会阻止坍塌。他

们是正确的：白矮星比强德拉塞卡极限会坍缩

为中子星的质量越大，它本身是稳定的由于泡

利不相容原理。但在1939，Robert Oppenheimer

和其他人预测中子星以上约3米（托尔曼–奥本海默–沃尔科夫极限）坍塌成黑洞的钱德拉塞卡尔提出的原因，并得出结论，没有物理定律可能会介入并阻止至少有些恒星坍缩的黑洞。

奥本海默和他的合作者解释奇点在史瓦西半径的边界表明这是边界的一个泡沫，时间停止了。这是一个有效的点外部观察人士的观点，但不下落的观察家。由于这一特性，坍塌的恒星被称为“冰星”，因为外面的观察者将看到明星的冻结时间在崩溃，把它里面的史瓦西半径的即时表面。

个人对黑洞的看法

HST新仪器刚成为理想的科学仪器来发现和研究超大质量黑洞位于星系的中心。卓越的事物之间可以完成HST这个仪器，成像光谱仪（STIS），将一个黑洞调查。性传播疾病有点像“宇宙速度”当哈勃是指着一个星系的速度可确定材料流通银河系中心。更快的东西围绕中心移动，更大的中心必须。通过高中物理我们可以确定这些超大质量黑洞的质量。就像通过观察在绕太阳的行星，我们的太阳的质量，我们将知道该黑洞位于每个星系中，我们点“speed gun性病中心的质量。星系M84中部地区真正的性病图片使用于宇宙黑洞的活动。随着越来越多的性病结果的积累，似乎许多，如果不是大多数，星系的超大质量黑洞在其中心。

在研究中，我们发现了重力更小的尺度。利用海洋和大气的循环来测试这个运动如何影响地球的引力场。例如，轨道在轨道地球表现出可测量的变化事实上由于厄尔尼诺ñO.

卫星，

当你起身离开电脑终端将改变地球的引力场的量很小。当然，你穿过房间是不可测量的空间。然而，这将是一个有趣的实验，看看有多少教师将不得不起床，走过他们的房间，导致一个可衡量的变化，在地球的引力场。在地球和太阳系上发生的引力现象的数量和规模要小很多倍，而且和黑洞周围和黑洞周围的引力几乎不一样。