黑洞、白洞和虫洞

第四节黑洞、白洞和虫洞东华理工大学主要内容•黑洞的形成与寻找•虫洞•白洞•黑洞、虫洞和白洞之间的关系一、黑洞•黑洞的成因与分类；•黑洞的碰撞和黑洞的蒸发•黑洞的寻找1.黑洞的成因与分类•概述：1）黑洞是我们宇宙中最奇怪、最神秘的物体。天文学家相信在宇宙中有无数的黑洞，并且认为黑洞是涵盖了一切事物开始的关键。目前最大最古老的黑洞2004.6月，美国斯坦福大学2）黑洞是根据现代的广义相对论所预言的，在宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体和星体（并非为一个“洞”）。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后，发生引力坍缩而形成。黑洞的质量是如此之大，它产生的引力场是如此之强，以致于任何物质和辐射都无法逃逸，就连光也逃逸不出来。由于类似热力学上完全不反射光线的黑体，故名为黑洞。在黑洞的周围，是一个无法侦测的事件视界，标志着无法返回的临界点。质量仅为太阳的3.8倍黑洞的质量没有上限，甚至是太阳的数亿倍美天文学家发现最小黑洞2001.4.28XTEJ1650-500直径仅25公里•成因：1）一个大质量的恒星在其生命最后阶段会因自身的引力而坍缩。它自身的引力是如此之强，使它的核坍塌直至成为一个没有大小、密度极大的数学上的点。围绕这个点有一个直径只有几千米被称为视界的区域，这里引力强得使任何东西、甚至于连光都不能逃逸出去，这就是黑洞。3）在宇宙大爆炸的早期，宇宙的压力和能量是如此之大，足以使一些物质小团块压缩成为不同尺度和质量的太初黑洞。•黑洞的分类：根据质量、角动量和电荷1）史瓦西黑洞：最简化的无电荷、无转动的球对称黑洞；2）雷斯勒—诺斯特诺姆黑洞：有电荷、无转动的球对称黑3）克尔黑洞：无电荷但有转动的黑洞4）克尔—纽曼黑洞：又带电荷又有转动的黑洞。•众所周知，黑洞是看不见的，因此科学家们只能依靠它发出的辐射和对相邻恒星的万有引力作用来判定它的存在。•一般来讲，天文学家们将黑洞分为两类：星状黑洞和超大质量星状黑洞。星状黑洞由质量相当于几个太阳的恒星坍缩形成，而超大质量星状黑洞的质量则可达十亿个太阳质量。银河系中心和类星体中心的超级大黑洞。2.黑洞的碰撞和黑洞的蒸发•早期宇宙物质的分布相对集中，彼此之间相隔的距离不远，在各处飘荡着的黑洞很有可能相互遭遇，导致两个具有强大引力场的天体发生剧烈的碰撞，然后合而为一。•在一些星系内部，星系中心的强引力会使邻近的恒星及星际物质更加趋向中心，当聚集在一起的质量大到一定程度的时候，就会坍缩成黑洞。•星系中心区域的一些大质量恒星死亡后坍缩成小黑洞，它们有许多机会相互碰撞而形成更大的黑洞。2.1黑洞的碰撞：•一般认为，黑洞一旦形成就不会转化为别的什么东西。黑洞的质量只会因吸进外界的物质而增加，绝不会因逃脱物质而减少。也就是说，按照经典物理学，黑洞是不能向外发出辐射的。•1974年霍金提出黑洞蒸发理论：按照量子力学，可以允许“粒子”从黑洞中逃逸出来。2.2黑洞的蒸发：•量子力学表明，整个空间充满了“虚的”粒子反粒子对，它们不断地成对产生、分开，然后又聚到一块并互相湮灭。•在黑洞存在的情形下，虚粒子对中的一个成员可以落到黑洞里去，留下来的另一个成员就失去可以与之相湮灭的配偶。这个被背弃的粒子或反粒子，可以跟随其配偶落到黑洞中去，但是它也可以逃逸到无穷远去，作为从黑洞发出的辐射而存在。•由于黑洞质量越小，其引力场就越小，粒子逃逸的过程就变得越容易，因此黑洞粒子的发射率及其表面温度就越大。•黑洞向外辐射粒子导致黑洞质量减小，进一步导致了辐射速率和温度的上升，因而黑洞的质量就减小得更快。当黑洞的质量变得极小的时候，它将在一个巨大的、相当于千百万颗氢弹爆炸的发射中结束自己的历史。•白矮星：也称简并矮星，是一种由电子之间不相容原理排斥力所支持的稳定恒星，由电子简并物质构成的小恒星。3.黑洞的寻找特征：低光度、高密度、高温度的晚期恒星，被认为是低质量恒星演化阶段的最终产物。最早发现的白矮星：天狼星伴星•形成过程：在红巨星阶段的末期，恒星的中心会因为温度、压力不足或者核融合达到铁阶段而停止产生能量，恒星外壳的重力会压缩恒星产生一个高密度的天体。•大部分恒星演化过程都包含白矮星阶段。由于很多恒星会通过新星或者超新星爆发将外壳抛出，一些质量略大的恒星也可能最终演化成白矮星。白矮星白矮星：恒星濒临死亡时生命形态年轻白矮星固定轴环绕一对投石器白矮星吃彗星正在形成的白矮星•白矮星的内部不再有物质进行核融合反应，因此恒星不再有能量产生，也不再由核融合的热来抵抗重力崩溃；它是由极端高密度的物质产生的电子简并压力来支撑。•物理学上，对一颗没有自转的白矮星，电子简并压力能够支撑的最大质量是1.4倍太阳质量，也就是钱德拉塞卡极限。•如果白矮星的质量超过1.4倍太阳质量，那么原子核之间的电荷斥力不足以对抗重力，电子会被压入原子核而形成中子星。•白矮星致密的球体拥有几乎像太阳一样的质量，但是体积只有地球那么大。•由于白矮星体内已经没有什么燃料可以燃烧，因此它们通常只通过发射本身储藏的热量，发出非常微弱的光。•白矮星被认为是一颗恒星的生命终点，我们银河邻域的大部分恒星正在一步步迈进这个阶段，其中包括太阳，但是仅有大约3%的邻域恒星的质量足够大，可以进一步转变成超新星。•中子星：又名波霎，是恒星演化到末期经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。即质量没有达到可以形成黑洞的恒星在寿命终结时塌缩形成的一种介于恒星和黑洞的星体，其密度比地球上任何物质密度大相当多倍。非常靠近地球的中子•形成过程：•恒星在核心的氢于核聚变反应中耗尽，完全转变成铁时便无法从核聚变中获得能量。失去热辐射压力支撑的外围物质受重力牵引会急速向核心坠落，有可能导致外壳的动能转化为热能向外爆发产生超新星爆炸，或者根据局恒星质量的不同，整个恒星被压缩成白矮星、中子星以至黑洞。望远镜下的中子星•中子星与白矮星的区别：•白矮星的密度虽然大，但还在正常物质结构能达到的最大密度范围内：电子还是电子，原子核还是原子核；•在中子星里，压力是如此之大，白矮星中的简并电子压再也承受不起了：电子被压缩到原子核中，同质子中和为中子，使原子变得仅由中子组成。而整个中子星就是由这样的原子核紧挨在一起形成的。•可以这样说，中子星就是一个巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。中子星的质量非常大由于巨大的质量就连光线都是呈抛物线挣脱。•白矮星被压缩成中子星的过程中恒星遭受剧烈的压缩使其组成物质中的电子并入质子转化成中子。•密度：1011kg/cm3，为水的密度的一百万倍。中子星是除黑洞外密度最大的星体，同黑洞一样，也是20世纪60年代最重大的发现之一。•根据科学家的计算，当老年恒星的质量大于十个太阳的质量时，它就有可能最后变为一颗中子星，而质量小于十个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。•黑洞与白矮星、中子星一样，都是先有理论预言然后开始实际的寻找。随着白矮星和中子星的相继发现，寻找黑洞就成为天文学家需要解决的一个课题。•虽然，黑洞并不发光，不能直接观测到，但它与周围物体有相互作用，所以天文学家还是可以利用多种间接的方法寻找黑洞。3.黑洞的寻找•当一颗超新星爆发时，恒星的核一般要塌缩成中子星，但如果这个核的质量大于三个太阳，它就会变成黑洞了。•现在普遍认为，寻找黑洞最好从X射线双星着手。如果一个发射强大的X射线的双星系统中有一颗子星看不见，又可根据另一颗可见子星的轨道运动估计出看不见的子星的质量远大于中子星质量的上限，那么这个发射X射线的天体不应是中子星，很可能是黑洞。•黑洞只有在靠近另外一颗恒星时才会被探测到。黑洞强大的引力将它附近恒星的气流高速拉到自己身上，它就像一口无底的深井，吸着四周的一切。气体向黑洞倾泄在黑洞周围形成一个旋涡叫吸积盘。气体间强烈的摩擦使旋转的气体变热发出强光，最热的部分达到1亿摄氏度，这些气体在坠向黑洞时会发出X射线。黑洞黑洞吞噬恒星黑洞吞噬恒星•现在，天文学家用这种方法已确定了多个黑洞候选者，其中最佳候选者当数作为发射这种强大的X射线的双星系统之一的天鹅X-1。•正如霍金所言，对这种现象的最好解释是，物质从可见星的表面被吹起来，当它落向不可见的伴星之时，发展成螺旋状的轨道，并且变得非常热而发出X射线。黑洞发出的强X射线引力强大的黑洞天鹅X-1中的黑洞吞噬着蓝超巨星的物质人类发现第一个来自遥远深空（除太阳）的X射线源，也是迄今从地球上所监测到的最强X射线源之一。然而，这个X射线源，2011年6月再次被钱德拉空间天文台探测到。1964年，美籍天文学家RiccardoGiacconi检测到了来自天鹅座的X射线源，是一个由蓝超巨（HDE226868）和一个致密星构成的双星系统，这个致密星已经被确认为大约为8.7倍太阳质量的黑洞。距离地球6000光年。•黑洞的巨大引力甚至扭曲了空间和时间。物理学的定律在黑洞的中心失去了意义。•没人可以看到黑洞的内部，但数学家却可以证明。计算的结果可能大大出乎人们的想像——黑洞可能是通向其他宇宙的大门。•爱因斯坦把空间比喻成一个有弹性的平面，比如说像气球皮。如果把一个球放到这个平面上，它就会出现一个凹陷。球越重越大，凹陷也越深。人们把这形象地称为引力井。如果物质被引力吸入井中，它将永远告别这个宇宙，而可能以另外的形式出现在井的那一端。•黑洞是引力极强的、理论上存在的宇宙体。二、白洞•白洞也是理论预言的一种天体。其理论依据是物质世界的对称性：即世界上任何一种物质都会有一种反物质与它对称。例如，现已证实的电子与反电子，质子与反质子，它们大小相等，正负相反，完全对称。如若两者相遇，就会湮灭。•如果存在一种东西能落进去而不能跑出来的称作黑洞的物体，那就应该存在东西能跑出来而不能落进去的另一种物体。人们把后者称作白洞。•白洞与黑洞相对称。在所有关于黑洞的方程中，将时间量加一个负号就能适合于白洞。白洞也有一个视界。•与黑洞相反，所有物质和能量都不能进入白洞的视界，而只能从其视界内部喷射出来。白洞是宇宙中的喷射源，以与黑洞吞噬物质相反的方式向外界喷射物质和能量。•宇宙创生的大爆炸理论描述了我们现在所观测到的宇宙中的一切都是源于137亿年前的一个物质奇点。这个奇点就很符合白洞所描述的概念。不过，白洞目前还只是一种理论模型，尚未被观测所证实，究竟是否存在，还有待于今后进一步探索。二、虫洞•作为时空隧道的“虫洞”越来越引起人们的关注。这首先是因为它是星际航行的捷径。例如，从地球飞往最近的恒星半人马座比邻星，将要飞行4光年的旅程，而通过“虫洞”却只需几小时。那么，究竟什么是“虫洞”？这要从宇宙大爆炸学说和爱因斯坦广义相对论说起。•根据爱因斯坦广义相对论，一个黑洞就是通往另一个宇宙的大门，所有通过黑洞的物质都将进入外部的时空。•科学家认为，我们的宇宙有可能通过黑洞与其他宇宙相互连接，其他宇宙之间也会相互连接。所谓“虫洞”就是连接不同宇宙之间或同一宇宙中的不同地点之间的某种隧道。•物质可以通过这个隧道进入到不同的宇宙或同一宇宙的不同地点。不仅如此，在“虫洞”的一个尽头的时间不一定与另一个尽头的时间一致。•根据爱因斯坦广义相对论，时空不能脱离物质而存在。空间的曲率由其所包含的物质或与物质等价的能量而决定。我们的宇宙本身就是一个扭曲得很厉害的多连通时空，不过“虫洞”时开时合，比较难找。•更有创意的一种意见认为，可以人为设法制造“虫洞”。•虽然，“虫洞”问题的研究还只是刚刚起步，但却引起越来越多的人的兴趣。因为人们认识到，“虫洞”不仅有可能成为星际旅行的捷径，而且它冲破了以往对宇宙结局的悲观成见，其意义之深远不可估量。四、三者的关系•有些科学家认为，虫洞的进口是黑洞，出口是白洞，虫洞就是连接黑洞与白洞的某种神秘的通道。•宇宙中的物质和能量可能在进入黑洞视界到达奇点后，通过虫洞到白洞，再从白洞的视界喷射出来。也许我们现在所观测到的宇宙是在比137亿年更久远的“以前”，由另一个宇宙塌缩后进入黑洞，又经过虫洞，从白洞中喷射、爆发出来的。换言之，我们的宇宙也可能曾是一个婴儿宇宙，诞生于某个宇宙产生一个黑洞的时刻。黑洞是宇宙演化的主要源泉