作业帮黑洞有何性质?(包括根据,霍金,爱因斯坦的理论)
来源：学生作业帮 编辑：作业帮 分类：物理作业 时间：2024/07/05 07:36:57
黑洞有何性质?(包括根据,霍金,爱因斯坦的理论)
研究黑洞的性质,有助于我们同时理解大爆炸奇点,因为他们之间实在是太相似了.广义相对论预言,运动的有质量的物体（光子等轻子是没有静止质量的）会导致引力波的辐射,它是以光速传播的空间——时间的涟漪.如同物体辐射出的光子带走了它们的能量一样,物体辐射出的引力波同样将带走它们的能量,因此物质系统将最终会趋向于一种稳定的状态.这好象往池塘里扔一块木头,使水面产生涟漪.涟漪将木块的能量带走,使木块最终平静下来.地球围绕太阳公转而产生的引力波使地球能量损失,其轨道逐渐改变并最终落到太阳上,只是这种能量损失极小,要过一千亿亿亿年才会相撞.
当恒星坍缩成黑洞时,运动会快得多,这时能量的损失也快得多,所以坍缩过程将很快达到不变的状态.这种不变的状态是如何的呢?由于坍缩之前的恒星的状态是多种多样的,包括它的物质形态、质量、旋转速度及恒星内部的复杂运动等等,似乎对坍缩的最终状态很难作出预言.加拿大科学家外奈·伊斯雷尔在1967年的研究非常出人意料.他指出：“根据广义相对论,不旋转的黑洞必须是非常简单的、完美的球体,其大小只依赖于它们的质量,并且任何两个不旋转的等质量黑洞必定是完全相同的.”最初,包括伊斯雷尔在内的许多科学家认为,既然黑洞只能是完美的球形,那么黑洞应该由具有完美球形的物体坍缩而成.然而任何恒星都不是完美的球形,所以黑洞只能坍缩为一个点.而罗杰．彭罗斯等人提出了另外一种解释：恒星坍缩的快速运动释放出来的引力波使恒星越来越接近球形,当它最终达到静态时,就成为精确的球体.因此,“任何不旋转的恒星,无论其组成物质、质量和内部结果如何复杂,在其引力坍缩后都将终结于一个完美的球形黑洞,其大小只依赖于它的质量.”这就是著名的“黑洞无毛”定理.
这个观点得到了进一步的计算支持,并很快为大家所接受.与此同时,新西兰科学家罗伊．克尔计算出广义相对论中描述旋转黑洞的一族解.这些解表明,黑洞以恒常速度旋转,其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转速度,旋转速度越快,黑洞的赤道部分就越鼓（这和地球、太阳等星体是一样的）.如果旋转为零,黑洞就是完美的球体.伊斯雷尔的发现其实就是克尔解中的特解.“黑洞没有毛”意味着,物体复杂的和大量的特征信息在形成黑洞的过程中损失了.我们将在下章中理解它的意义.黑洞在科学史上是一个特殊的情形,它作为数学模型已经发展到极为详尽的地步,但至今仍没有100%肯定的观测证据来证明它.1963年发现了一个暗淡的类星体红移.这个红移是如此之大,如果看作是引力红移的话,那么它的质量应该很大,而且离我们很近,以致于会干扰太阳系的行星运动.所以它只能是宇宙膨胀引起的红移.红移很大则说明它离我们很远.如果在这么远的距离还能被我们观察到,那么它一定非常亮,也就是说它必须辐射出大量的能量.这么大的能量不可能仅仅是一个恒星发出的,它很可能是一个星系整个中心区域的引力坍缩.人们发现了很多这样的类星体,但它们都离我们非常远,由于很难观测而不能为黑洞提供结论性的证据.1967年中子星的发现为证明黑洞的存在带来了鼓舞.因为中子星的半径约10英里,只是黑洞坍缩临界半径的几倍而已.恒星能坍缩到更小尺度应该是理所当然的.由于光线无法从黑洞中逃逸,因此观测黑洞有些象在漆黑的夜里寻找黑猫.但值得庆幸的是,黑洞的引力效应仍将作用到其临近的星体上.
人们观测到一些伴星系统是由一颗可见恒星和一颗不可见恒星互相围绕旋转组成.这类系统中的有一些是强X射线源.对这种现象最好的解释是,物质从可见星的表面被吹起来并落向不可见的伴星,这些物质在强大的引力作用下发展成螺旋轨道（如同水从浴缸中流出的情形）,同时变得非常热而发射出X射线.这颗不可见伴星必须小到象白矮星、中子星或黑洞那样,才能引发上述机制.“天鹅X-1”就是这样一个伴星系统.通过对其可见星轨道的研究,科学家们推算出了不可见星的最小质量--大约是太阳的6倍.按照强德拉塞卡的结果来看,它只能是一个黑洞.宇宙漫长的岁月中,许多恒星应该已经耗尽了燃料并且坍缩了.黑洞的数目甚至比可见星还要多得多.以我们的银河系为例,巨大数量的黑洞的额外引力就可以解释为何银河系会有如此的转动速率,仅考虑可见星的质量是不足够的.某些证据说明,银河系中心有非常巨大的黑洞,其质量大约是太阳的10万倍.恒星若是太靠近这个黑洞,它近端和远端的引力差就会将它撕开,并被黑洞吸引而落到上面去.虽然落到黑洞上的物质没有象“天鹅X-1”那样热到发出X射线,但可以用来说明在银河系中心观测到的非常紧致的射电源和红外线源.在类星体的中心被认为是质量更大的黑洞,大约是太阳质量的1亿倍.当物质旋转落入黑洞时,它将使黑洞向同一方向旋转,使黑洞产生强大的类似地球的磁场.落入黑洞的物质会产生高能的粒子,它们在黑洞强磁场的作用下聚焦,形成沿黑洞北极和南极方向向外喷射的粒子流.在许多星系和类星体中我们观测到了这种射流.也可能存在着比太阳质量小得多的黑洞.它们由于低于强德拉塞卡极限而不可能由引力坍缩形成,只能由巨大的压力压缩而成.在早期宇宙的高温高压条件下会产生这样的小黑洞.一个质量在10亿吨（一座大山的质量）的太初黑洞可以由于对其它可见物质的影响而被观察到.我们在下一章将会看到,也许小的黑洞比大的黑洞更容易被探测到.
当恒星坍缩成黑洞时,运动会快得多,这时能量的损失也快得多,所以坍缩过程将很快达到不变的状态.这种不变的状态是如何的呢?由于坍缩之前的恒星的状态是多种多样的,包括它的物质形态、质量、旋转速度及恒星内部的复杂运动等等,似乎对坍缩的最终状态很难作出预言.加拿大科学家外奈·伊斯雷尔在1967年的研究非常出人意料.他指出：“根据广义相对论,不旋转的黑洞必须是非常简单的、完美的球体,其大小只依赖于它们的质量,并且任何两个不旋转的等质量黑洞必定是完全相同的.”最初,包括伊斯雷尔在内的许多科学家认为,既然黑洞只能是完美的球形,那么黑洞应该由具有完美球形的物体坍缩而成.然而任何恒星都不是完美的球形,所以黑洞只能坍缩为一个点.而罗杰．彭罗斯等人提出了另外一种解释：恒星坍缩的快速运动释放出来的引力波使恒星越来越接近球形,当它最终达到静态时,就成为精确的球体.因此,“任何不旋转的恒星,无论其组成物质、质量和内部结果如何复杂,在其引力坍缩后都将终结于一个完美的球形黑洞,其大小只依赖于它的质量.”这就是著名的“黑洞无毛”定理.
这个观点得到了进一步的计算支持,并很快为大家所接受.与此同时,新西兰科学家罗伊．克尔计算出广义相对论中描述旋转黑洞的一族解.这些解表明,黑洞以恒常速度旋转,其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转速度,旋转速度越快,黑洞的赤道部分就越鼓（这和地球、太阳等星体是一样的）.如果旋转为零,黑洞就是完美的球体.伊斯雷尔的发现其实就是克尔解中的特解.“黑洞没有毛”意味着,物体复杂的和大量的特征信息在形成黑洞的过程中损失了.我们将在下章中理解它的意义.黑洞在科学史上是一个特殊的情形,它作为数学模型已经发展到极为详尽的地步,但至今仍没有100%肯定的观测证据来证明它.1963年发现了一个暗淡的类星体红移.这个红移是如此之大,如果看作是引力红移的话,那么它的质量应该很大,而且离我们很近,以致于会干扰太阳系的行星运动.所以它只能是宇宙膨胀引起的红移.红移很大则说明它离我们很远.如果在这么远的距离还能被我们观察到,那么它一定非常亮,也就是说它必须辐射出大量的能量.这么大的能量不可能仅仅是一个恒星发出的,它很可能是一个星系整个中心区域的引力坍缩.人们发现了很多这样的类星体,但它们都离我们非常远,由于很难观测而不能为黑洞提供结论性的证据.1967年中子星的发现为证明黑洞的存在带来了鼓舞.因为中子星的半径约10英里,只是黑洞坍缩临界半径的几倍而已.恒星能坍缩到更小尺度应该是理所当然的.由于光线无法从黑洞中逃逸,因此观测黑洞有些象在漆黑的夜里寻找黑猫.但值得庆幸的是,黑洞的引力效应仍将作用到其临近的星体上.
人们观测到一些伴星系统是由一颗可见恒星和一颗不可见恒星互相围绕旋转组成.这类系统中的有一些是强X射线源.对这种现象最好的解释是,物质从可见星的表面被吹起来并落向不可见的伴星,这些物质在强大的引力作用下发展成螺旋轨道（如同水从浴缸中流出的情形）,同时变得非常热而发射出X射线.这颗不可见伴星必须小到象白矮星、中子星或黑洞那样,才能引发上述机制.“天鹅X-1”就是这样一个伴星系统.通过对其可见星轨道的研究,科学家们推算出了不可见星的最小质量--大约是太阳的6倍.按照强德拉塞卡的结果来看,它只能是一个黑洞.宇宙漫长的岁月中,许多恒星应该已经耗尽了燃料并且坍缩了.黑洞的数目甚至比可见星还要多得多.以我们的银河系为例,巨大数量的黑洞的额外引力就可以解释为何银河系会有如此的转动速率,仅考虑可见星的质量是不足够的.某些证据说明,银河系中心有非常巨大的黑洞,其质量大约是太阳的10万倍.恒星若是太靠近这个黑洞,它近端和远端的引力差就会将它撕开,并被黑洞吸引而落到上面去.虽然落到黑洞上的物质没有象“天鹅X-1”那样热到发出X射线,但可以用来说明在银河系中心观测到的非常紧致的射电源和红外线源.在类星体的中心被认为是质量更大的黑洞,大约是太阳质量的1亿倍.当物质旋转落入黑洞时,它将使黑洞向同一方向旋转,使黑洞产生强大的类似地球的磁场.落入黑洞的物质会产生高能的粒子,它们在黑洞强磁场的作用下聚焦,形成沿黑洞北极和南极方向向外喷射的粒子流.在许多星系和类星体中我们观测到了这种射流.也可能存在着比太阳质量小得多的黑洞.它们由于低于强德拉塞卡极限而不可能由引力坍缩形成,只能由巨大的压力压缩而成.在早期宇宙的高温高压条件下会产生这样的小黑洞.一个质量在10亿吨（一座大山的质量）的太初黑洞可以由于对其它可见物质的影响而被观察到.我们在下一章将会看到,也许小的黑洞比大的黑洞更容易被探测到.