《黑洞类星体》PPT课件.ppt

现代天文学十五讲,第十讲 黑洞和类星体 北京大学天文系吴鑫基,作业和小论文1，小论文在5月底6月初交2，第3次作业最迟在考试前1周交 第九讲、第十一讲、第十二讲 外加一个题目 对现代天文学课程和教材的意见（优缺点、改进建议、教材中的 问题）,一，黑洞概念的提出二，黑洞的性质和类型 三，霍金的量子黑洞 四，寻找黑洞 五，谜一样的天体类星体 六，类星体的挑战（本讲不要求，仅提要式的介绍）,黑洞和类星体是两种不同性质的天体,但都是对宇宙演化有举足轻重地位的天体。黑洞是理论研究的产物，当今已越来越多地与天体物理前沿领域众多的热点课题相关联，并到了搜寻黑洞阶段。类星体是迄今为止观测到的最明亮、最遥远、最古老的天体。它的能量来源、特大红移和“超光速”现象成为争论的焦点。,要点,1，第二宇宙速度(逃逸速度)根据动能(mv2/2)引力势能(GMm/R)导出 地球上的逃逸速度为11.2千米/秒。R愈小，M愈大，逃逸速度愈大；当某天体的逃逸速度达到光速，光也不可能离开这个天体，形成黑洞。如果地球半径压缩到只有0.9厘米时，逃逸速度就超过光速。,一，黑洞概念的提出,2，黑洞的预言 1795年拉普拉斯预言黑洞的存在：“一个密度和地球一样而直径为太阳的250倍的发光恒星，由于引力的作用，它将不允许任何光线离开它，不能被我们看见。”称这种天体为“黑暗的一团”。1783年英国牧师、地质学家约翰米歇尔还早于拉普拉斯提出几乎一样的看法。,广义相对论的概念 研究相对作加速运动的参考系情况 基本经验根据：引力质量（F=GMm/r2）和惯性质量（F=ma）的等同性 失重和超重现象 广义相对论爱因斯坦场方程 大质量物体（天体）将引起其附近的时空 弯曲；,3,广义相对论关于黑洞的概念,广义相对论里没有逃逸速度这个概念，而是引力场使时空弯曲。在弯曲空间，如球面，两点之间最短的距离曲线，大圆的一部分。月球绕地球运转是因为地球的质量扭曲了附近的时空，使月球绕地球运转，就如火车沿铁轨运行一样，当铁轨变弯曲后，火车自然沿弯曲的铁轨运行。质量一定的恒星，当其半径越小，对周围时空弯曲作用越大，半径小到一定程度后，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。,二，黑洞的性质和类型,1,史瓦西黑洞,最简单的黑洞，不旋转，不带电,仅有有质量参数，称为史瓦西黑洞或球形黑洞。垂直于表面发射的光都被捕获处的半径，表示黑洞的半径 算出：太阳的史瓦西半径为3千米，地球仅为0.9厘米。与由牛顿力学推导出的公式所给出的估计是一致的。,2，视界：史瓦西半径是黑洞的边界。物质（包括光）一旦落入视界之内，就再也不能逃出视界。3，中心奇点：黑洞除中心有物质以外，其它地方空无一物，中心点的物质密度、引力都是无穷大，故称奇点。,3，黑洞对外界光线的影响,4，克尔旋转黑洞 黑洞有自转，造成黑洞偏离球形而成椭球体。旋转黑洞有两个参量：质量和角动量。黑洞看不到，无法测量其自转，但自转角速度不会比中子星小。旋动黑洞的周围就像宇宙中的一个引力大旋涡，旋涡中心是黑洞，在旋涡附近的物体都会吸向旋涡中心。,旋转黑洞周围的引力涡旋 牛顿力学：物质运动不影响引力场；广义相对论：物质旋转产生附加的旋涡引力场，其大小由角动量决定；附加旋涡引力场区域形成能层。无旋转黑洞的视界上引力为无穷大；有旋转的黑洞改变了，在视界以外的能层的表面上引力变得无穷大，形成外视界。在能层中的所有物体将作圆周运动。克尔黑洞就是有旋转的黑洞。,克尔黑洞的视界 史瓦西黑洞只有一个视界，而旋转黑洞有外视界和内视界。两个视界之间的区域称为能层。在能层内的物质会被黑洞的自转所带动，但仍有机会逃离黑洞。内视界才是真正的死亡线，,黑洞的质量没有上限。特大质量的黑洞形成途径：比较大的恒星级黑洞逐步吞食附近的物质形成；恒星集团的引力坍缩而形成；宇宙早期形成的大大小小质量的黑洞，包括特大质量的原初黑洞。,5，特大质量黑洞,三，霍金的量子黑洞,基于广义相对论原理，考虑量子论的影响，黑洞不完全“黑”，边界不再是密不可透。空间中充满了正反粒子对，在黑洞附近，如果一个粒子或反粒子掉到黑洞里面去，留下它的伴侣就相当于是黑洞发射的辐射。辐射为热谱。质量越大温度越低。与太阳相当的黑洞，温度接近绝对温度零度。但质量10亿吨的小黑洞具有一千二百多亿度的高温，发射强度很大，类似一种爆发。,史蒂芬威廉霍金 1942年诞生，17岁上牛津大学，后到剑桥大学攻读天文学博士，一帆风顺。21岁得了帕金森氏病，面临“早逝”的危险，他开始了天文学的学习和研究。到1970年，完全被禁锢在轮椅上，头也抬不起来，失去了说话的能力。,霍金以重病之身克服人们无法体会的病痛折磨，取得了全世界瞩目的成就。“霍金辐射理论”，把引力论、量子论和统计力学统一到一起，作出了划时代的贡献。1978年荣获物理学领域的最高奖“爱因斯坦奖”。他在黑洞和宇宙论方面的贡献，被誉为当今的爱因斯坦，成为当代最杰出的物理学家和天文学家之一。,霍金的成就,四，寻找黑洞,1、双星中黑洞的搜寻 黑洞不发光，怎样寻找？黑洞虽不发光，但它在引力依然存在。根据双星运动的参数可以估计出看不见的天体的质量，如果大于3个太阳质量，就可能是黑洞。寻找双星系统中的黑洞成为热点课题。黑洞把周围的物质吸入的过程中，会发出强烈X射线辐射。这也是一个重要判据。,有很强X射线辐射，伴星是质量约2540个太阳质量的蓝巨星，轨道周期为5.6天，X射线源约为7个太阳质量，超过中子星质量上限，是比较公认的黑洞的候选者。,恒星级黑洞候选者天鹅座X1示意图,2，银河系中心的 特大黑洞,光学观测，银河系中心是漆黑一团。射电观测发现强源人马座SgrA，由东西两个源组成。西边的源SgrA west 又叫SgrA*。后来又探测到SgrA*的红外和X射线辐射。天文学家把SgrA*定义为银河系的中心,并认为SgrA*可能是一个黑洞。,近红外观测：SgrA*和一颗年轻恒星组成双星系统，轨道周期15.56年。估计出SgrA*有4百万个太阳的质量。史瓦西半径为0.08天文单位。黑洞的角径为10微角秒。这是离我们最近、最强、角径最大的一个超大质量黑洞候选者。,双星系统的确认,黑洞存在一个5倍史瓦西半径大小的阴影区，对Sgr A*来说，阴影区约为45.48微角秒。黑洞周围的辐射区应该与次相当。要判断SgrA*是不是黑洞，就要测出它的大小，越接近阴影区，越可能。沈志强用甚长基线干涉阵（VLBA）3.5毫米，获得SgrA*的观测结果，揭示出椭圆状视结构，其尺度仅比黑洞阴影大2.6倍。,SgrA*是否为大质量黑洞？,图上部是用VLBA在五个波长(0.7,1.35,2.0,3.6和6.0厘米)的准同时观测的SgrA*的图像，其尺度随波长的变化。图下部是一个点源因星际介质散射引起放大图象，更短波长观测将可能获得其真实结构。,SgrA*的VLBA多波段观测,五，谜一样的天体类星体,20世纪60年代四大发现之一。它们具有像恒星那样小的角径（小于1角秒），但不是恒星。类星体是迄今为止天文学家所知道的距离最遥远、能量最大的天体。现在，类星体的数目已有数万之多，但它们的一些特殊性质至今无法解释，类星体究竟是一种什么样的天体，至今仍是一个难解之谜。,1、类星体的发现 类星体是由射电望远镜首先发现的，但它的主要特征不是射电辐射。20世纪60年代，发现大批射电源，最有名的是剑桥大学的3C射电源表。寻找射电源的光学对应体是当务之急。当时射电观测的分辨率很低，求助于月掩射电源的方法。,发现光学对应体 1960年利用月掩射电源的方法确定了射电源3C48的位置，找到了它的光学对应体视星等为16等的天体。像一颗恒星，但它的光谱很特殊，其波长与其它天体光谱里所看见的波长很不一样，不知道是哪些元素产生的。1962年又找到射电源3C273的光学对应体，视星等为13等的蓝色“星”。光谱也很特殊。没有人能加以解释，留下一个谜。,施米特突发奇想：大红移 1963年在撰写论文时，史密斯突然闪电般的产生一个念头：如果3C273具有非常大的退行速度的话，会怎样？当退行速度为47000千米/秒，其发射线光谱与氢原子光谱一致，光谱对应的是熟知的元素，如氢、氧、氮、镁等。射电源3C48的情况也一样，只是退行速度达到110，000千米/秒。,类星体的最大特点是它的谱 线有非常大的红移。红移值由观测波长和在地球 上实验室测定的波长来确定：观测波长总比实验室的波长大，z总大于零。类星体都有红移，比星系红移大很多。,谱线红移,1965年以后，对类星射电源的光学观测发现它们的紫外辐射非常强，并不发出很强的射电辐射。人们把它们称为蓝星体。蓝星体也成为类星体的候选者。今天，人们把类星射电源和蓝星体统称为类星体。实际上，类星射电源和蓝星体统仅是类星体的候选者，只有确认有很大的红移后，才能确认。,类星体为类星射电源和蓝星体的总称,最远、古老的天体 类星体红移比河外星系的红移还大得多。哈勃定律计算出的类星体距离，远在几亿光年或几十亿光年以外，甚至达100多亿光年。观测到类星体的光是几亿年或上百亿年以前发出的。,六，类星体的挑战 类星体是迄今为止观测到最明亮、最遥远、最古老的天体。它的巨大红移、可以与光速比拟的退行速度和巨大能量向天文学和物理学提出了挑战。类星体并不是恒星，可能是星系核。但是，至今天文学家仍然不能确定它究竟是什么天体。,类星体虽然看上去很象恒星，实际上与恒星有本质的差别。银河系内的恒星除了射电脉冲星外，它们的射电辐射都远远不及类星体。恒星的光谱有红移也有蓝移，离我们的缘故。类星体的光谱是清一色的红移，而且都非常大。在银河系内没有找到具有类星体特性的天体。,1，类星体是什么？,河外天体都有红移，这是宇宙膨胀的结果。因此，公认的看法认为类星体是河外星系那样属于银河系外的天体。在河外星系中有一类性质特殊的星系被称为活动星系，例如射电星系、N型星系、塞佛特星系等。活动星系中发生着激烈的物理过程，如恒星爆发、喷流和激波。在各个波段都有很强的辐射。后来查明，这些激烈的过程均发生在星系核心部分或由核心部分激发而成。天文学家塞佛特对一类星系进行了系统地研究发现它们具有明显的星系核和强的发射线，后来天文学家就将它们称为塞佛特星系。具有很强射电辐射的射电星系中也有部分具有很强的核。这些活动星系虽然彼此之间差别很大，但有一共同的特点，类星体就是星系核。由于类星体特别遥远，特别明亮的星系核掩盖了其余部分，使我们只能看清活动星系的核。因此，无论是射电辐射还是光学辐射，所观测到的类星体的角直径很小，看去就象是一颗恒星。当然，类星体与活动星系核能否划上等号还有待进一步证实。类星体的最重要特性是光谱线发生了巨大红移，比河外星系的红移还大得多。由哈勃定律计算出的类星体距离使人们感到十分震惊：它们都远在几亿光年或几十亿光年以外，甚至离我们近200亿光年。这比许多河外星系远得多。我们目前所观测到类星体的光是几亿年或上百亿年以前发出的，所以说，类星体是我们观测到的最古老的天体了。2，类星体的挑战类,在河外星系中有一类性质特殊的星系被称为活动星系，例如射电星系、N型星系、塞佛特星系等。赛弗特星系具有明显的星系核和强的发射线，射电星系中也有部分具有很强的核。这些活动星系有一共同的特点，就是有核。类星体就是星系核。由于类星体特别遥远，特别明亮的星系核掩盖了其余部分，使我们只能看清活动星系的核。,类星体是活动星系核,2，能源之谜和速度之谜 类星体的光度是整个银河系总光度的100倍，甚至十万倍。银河系的直径达10万光年，而类星体的直径小于4光年。热核反应机制已不能提供。类星体的产能机制是什么？目前仍是个谜。根据红移可以计算出类星体的速度，最大达到6.28，速度竟达到光速的96%。一个巨大星体的运动速度能有这么高，天文学家无法解释。,宇宙学红移把红移看成天体离我们远去所造成，这与宇宙膨胀的观测一致。距离太远，光度特别巨大。不把红移看成是退行所致，就能摆脱困境。星体离我们不那么遥远，光度就小得多了。目前有一些观测证据，但不充分。引力可以产生红移，不足以产生类星体那样大的红移。期待研究出新的产生红移的机制。,3，摆脱困境的途径之一：非宇宙学红移,1979年发现第一个引力透镜类星体：两个靠得很近的类星体，一模一样，红移、连续光谱、谱线等几乎完全一样。在类星体的近旁有一个红移为0.36的星系。这个星系的引力使它后面的类星体的光偏转，形成两个虚像。,4，引力透镜缓解类星体能源的困惑,引力透镜原理图,引力透镜缓解类星体能源的困难,引力透镜的观测事实支持类星体红移是宇宙学的结论。引力透镜的发现也大大缓解了类星体能源的困惑。遥远类星体中可能有多达1/3是被引力透镜放大了的，其亮度可能增加了10倍甚至100倍。因此类星体的实际亮度可能低很多。,解释类星体的能源“黑洞说”类星体是剧烈活动的星系核，星系核中包含着一个巨型黑洞。黑洞不断吸食它周围物质，这些被黑洞吸入时，释放引力能，变成可见光、无线电波、X射线、伽马射线等波段的辐射。要解释观测到的类星体光度，要求类星体包含着30亿个太阳质量的黑洞，这个黑洞每年要吞食100个太阳系的物质。“黑洞说”还仅仅是一种猜想。,