“一个民族有一些关注天空的人，他们才有希望；一个民族只是关心脚下的事情，那是没有未来的。” —— 黑格尔

程 福 臻 中国科技大学天体物理中心 fzhen@ustc.edu.cn 5203教室 2014. 10. 9 神奇的黑洞 程 福 臻 中国科技大学天体物理中心 fzhen@ustc.edu.cn 5203教室 2014. 10. 9

一、常见的天体 二、黑洞的由来 三、黑洞的形成 四、黑洞的特性 五、黑洞的寻找 六、黑洞的作用 七、最新的观点

由小到大说（主要的）： 行星（包括地球、太阳系外行星） 恒星（包括太阳） 双星 星团 星云 星系 星系团 一、常见的天体 由小到大说（主要的）： 行星（包括地球、太阳系外行星） 恒星（包括太阳） 双星 星团 星云 星系 星系团

地球

太阳系

恒星 宇宙中大约一半的恒星是双星。它们是引力维系的、相互绕转的两颗恒星组成，最明亮的如天狼星。

星团

星云

银河系

河外星系

星系团

二、黑洞的由来 1967年12月29日，J. A. Wheeler博士在纽约的一次讲学中，首次使用了“黑洞”一词，用来描述吞食周围一切物质，包括光，的天体。 J.A.Wheler

“黑洞”一词源于印度的一个故事：18世纪的加尔各答，有个要塞，其中有个小而阴暗的房间，长5米，宽4米，一次关押了46名敌军俘虏，正值盛夏，10个小时后，只22人活着。以后称它“加尔各答的黑洞”，表征它要吞食周围一切物质。

提出不可见星的猜测： 1799年，拉普拉斯 可算: 地球 M地≈6×1027克，Rsh≈1cm，ρ≈1027克/cm3 Pierre-Simon Laplace 1799年，拉普拉斯 提出不可见星的猜测： 可算: 地球 M地≈6×1027克，Rsh≈1cm，ρ≈1027克/cm3 太阳 M⊙≈2×1033克，Rsh≈3km，ρ≈1016克/cm3

根据爱因斯坦的广义相对论 发现Rsh=2GM/C2，一个静 止的、球形物体在达到这种 情况时，其内部空间和时间 1916年，K.Schwarzchild 根据爱因斯坦的广义相对论 发现Rsh=2GM/C2，一个静 止的、球形物体在达到这种 情况时，其内部空间和时间 丧失了原有的特征，Rsh---- “黑洞半径”。 Karl Schwarzschild

黑洞的定义和视界 一个时空区域，其中的引力场足够强，以至于没有任何物体，乃至光线能够逃离出来。此即黑洞。 Rsch = 2GM/ Schwarzschild BH Rsch = 2GM/ 史瓦西半径，其球面叫视界。

1. 粒子尺度，10-15cm，质量像座大山， “微黑洞”； 2. 尺度30公里，质量为10M⊙，恒星级黑洞； 现代天体物理学认为，按质量大小可以有四种情况： 1. 粒子尺度，10-15cm，质量像座大山， “微黑洞”； 2. 尺度30公里，质量为10M⊙，恒星级黑洞； 3. 中等质量黑洞:质量1000M⊙，尺度3000 公里； 4. 尺度3光时，质量为109M⊙，星系级巨型 黑洞。

三、黑洞的形成 万有引力：F=GMm/r2 r↓，F↑↑,又a ∝ F,所以a↑↑ 如果没有内部压力支持,太阳在29分钟内坍缩成黑洞。 黑洞的成因：引力坍缩 万有引力：F=GMm/r2 r↓，F↑↑,又a ∝ F,所以a↑↑ 如果没有内部压力支持,太阳在29分钟内坍缩成黑洞。 具体情况又可分别阐述如下：

01. 微型黑洞 年提出有微型黑洞存在。 微型黑洞:基本粒子 尺度,一座山大小质量, 宇宙原初时由于物质密 度的涨落产生。 01. 微型黑洞 史蒂芬•霍金于1971 年提出有微型黑洞存在。 微型黑洞:基本粒子 尺度,一座山大小质量, 宇宙原初时由于物质密 度的涨落产生。

02. 恒星级黑洞 恒星级黑洞: 尺度30km，由初始质量10M⊙ 的大质量恒星坍缩形成。

黑洞 天体 太阳 白矮星 中子星 黑洞 Rg/R 10-5.4 10-4 10-1 1 引力半径（gravitational radius） 对Schwarzschild黑洞 = 3 km (M/M⊙) 天体的致密程度可以用Rg /R表示 天体 太阳 白矮星 中子星 黑洞 Rg/R 10-5.4 10-4 10-1 1

史瓦西黑洞的结构 史瓦西黑洞的结构 中心奇点 (singularity) 视界 (event horizon) 半径为Rsh的球面 在视界内的任何信息无法向外传递 光层 (photosphere) 半径为1.5 Rsh的球面 各向同性辐射光子中的一半可以逃逸

03. 巨型黑洞 巨型黑洞:尺度3光秒——3光时，质量 M⊙。一大块气体云引力坍缩而成；或者恒星级质量黑洞吞噬物质而成；或者恒星质量黑洞团并合形成。它的形成与演化与星系的形成和演化有着紧密关系，是当今天体物理中的重要课题之一。

04. 中等质量黑洞 中等质量黑洞: 质量 M⊙，标志一种新型黑洞的发现，形成机制不明。

四、黑洞的特性 物理上黑洞的描述 只有三个物理量： 质量 角动量 电荷 可称“三毛”，有 的人称黑洞无“头发”。

按此物理量分类： 1. 史瓦西黑洞，只有质量； 2. 克尔黑洞，有质量、角动量，无电荷； 3. 莱斯纳黑洞，有质量、电荷，无角动量； 4. 克尔—纽曼黑洞，三者都有。

01. 黑洞四定律 黑洞是一个动力学系统，能够施力和受力，能够吸收和提供能量，即会随时间演化。 视界面的面积∝R2sh∝M2，表面引力g∝GM/R2sh∝1/M，是两个基本的参量，可以表征一个黑洞的动力学状态。它们类似熵和温度可以表征热力学中一个系统的状态。

第零定律：平衡态黑洞视界面上的所有点都有同 样的表面引力，即是一个常数（对应 热平衡系统只需一个温度T表达）。 第一定律：黑洞的演化过程中，质能守恒。 第二定律：黑洞的表面积是随时间增大 （对应熵S）。即其体积只能增大。 第三定律：不能通过有限的物理过程使黑洞的 表面引力g变成零。

02. 靠近黑洞的强大潮汐力 靠近黑洞时，强大的潮 汐力造成“牙膏”效应：

03. 引力透镜效应

微引力透镜效应

04. 引力红移与静界的“冻结”效应 引力红移：光子的能量为h，其质量就是h/C 2，一个能量为h0 的光子从视界外面r 处向远处发射，到达无穷远处后，光子的能量变为 h 。在 逃逸过程中，光子要克服引力势必须消耗能量，故： hh0 ， 0 ，0 ，即产生引力红移。 光子频率变小也可解释为时钟变慢，即远处的观测者看来，位于引力场中的钟，比观测者本地的钟要走的慢。钟的走时也等价于物理过程的时间持续，所以远处的观测者看来，引力场中的一切物理过程都变慢了，且引力越强，过程变得越慢！

引力红移与静界的“冻结”效应 越接近黑洞表面，引力场越强，物理过程变得越慢，时钟走的越慢。所以，表观时间“冻结”在一个确定的面上，这表面称静界。 例如飞船非常接近静界时，它的运动看起来停止了，从那里发出的信号，要经过无限长的时间才能达到远处的观测者。因此，黑洞也称为“冻结”星。

05. 彭罗斯机制 克尔黑洞作为能源： 克尔黑洞的静界与视界之间的区域称为能层。 05. 彭罗斯机制 克尔黑洞作为能源： 克尔黑洞的静界与视界之间的区域称为能层。 设想让一艘飞船进入能层，并用弹射装置把一物体从飞船中弹射出来，调节弹射的方向（使黑洞捕获的物体在反转轨道上），物体落入后将使黑洞的角动量稍稍减小，则出射的飞船将获得黑洞丢失的转动能。

06. 黑洞的蒸发 霍金(Stephen Hawking)发现，微型黑洞会蒸发，即向外发射粒子。这与“经典”的黑洞理论相反！量子蒸发，是量子“隧道效应”的表现，辐射γ 光子和大质量基本粒子。 计算表明黑洞倾向于捕获反粒子。 在外部观察者看来黑洞在“蒸发”，发出粒子流。

黑洞寿命 负粒子被吸收 → 黑洞质量减小 正粒子逃逸 → 带走能量 黑洞能损失率→黑洞寿命∝M 3 当M =1 M⊙， t＝1067 yr； 当M =1015 g， t＝1010 yr （微黑洞已经蒸发）

五、黑洞的寻找 这个卡通显示了探测黑洞有多么的困难，但是幸运的是，我们尚有一些有效的手段可以寻找到它的存在。

01. 恒星质量黑洞 利用引力透镜和微引力透镜效应来找到孤立的恒星质量的黑洞 在X-射线双星系统内找到黑洞

利用引力透镜和微引力透镜效应

黑洞的寻找 在X-射线双星系统内找到黑洞

02. 巨型黑洞 一般认为存在于大多数的大质量星系中心。 02. 巨型黑洞 一般认为存在于大多数的大质量星系中心。 对星系中心附近的光学和射电观测可以发现:围绕星系中心绕转的恒星或者气体的轨道速度极大； 对星系中心附近的X-射线观测发现：有大量的能量产生出来，可能由于落向黑洞的物质产生。

银心附近一颗以15.2年为轨道周期的恒星 恒星绕银心有明显的椭圆轨道，根据开普勒定律可以求得银河系中心黑洞质量约为： 3.7× M⊙

M84中心的超大质量黑洞 观测发现在距离星系中心26光年处的气体径向运动速度高达400km/s，由此推算出中心黑洞质量约为： 3× M⊙

星系NGC4261中心黑洞、吸积盘和喷流 巨大的黑洞吸积周围物质形成吸积盘，垂直盘面形成巨大的喷流： “一个轮子和一个转轴”

NGC6240:两颗巨型黑洞在一个星系中 强X-射线辐射表明黑洞的存在，利用钱德拉塞卡X-射线空间望远镜观测到2个源：2个黑洞位于同一个星系内！ 合理的解释：星系的并合。 将来：在未来的 年后，两颗黑洞也将并合！

科学家测出最大黑洞之一质量为太阳64亿倍 这一黑洞位于巨型星系M87的中心附近

迄今为止发现的黑洞质量与星系中心的核球质量的关系

5000万光年外巨型星系M87中的黑洞 发现高能伽马暴爆发

美国宇航局监听到黑洞诞生的“啼哭” GRB 130427A伽玛射线事件，这就是距离地球37亿光年的最强能量释放，根据费米空间望远镜的观测数据，其能量至少达到940亿电子伏特，持续时间长达数个小时。

科学家观测到130亿光年外迄今最遥远天体 2009年10月30日报道 “雨燕”的紫外/光学(蓝色，绿色)和X射线(橘色和红色)望远镜的资料图。它是伽马暴，命名为GRB 090423，红移值是6.29。

美国趣味科学网站2012年11月28日报道： 天文学家在距地球约2.5亿光年的一个小型星系中发现了可能是已知最大黑洞的东西。 位于英仙座 NGC 1277星系中。 这特大质量黑洞相当于1 7 0亿个太阳（动力学质量）。 它的质量占所在星系的1 4%，相较之下，一个普通黑洞只占所在星系的0.1%。 “这是个十分古怪的星系。它几乎全是黑洞。这可能是一类新的星系-黑洞系统的首个对象。”

NGC 1277星系

03. 一个大于500倍太阳质量的中等质量的黑洞 （Nature,2 July 2009,Vol.460,L73) HLX-1——在南天的河外边向旋涡星系ESO 243-49中极亮X变源

六、黑洞的作用 实际上所有大质量的星系，包括银河系，都有中心黑洞，它们的质量处在 。 实际上所有大质量的星系，包括银河系，都有中心黑洞，它们的质量处在 。 这些黑洞的生长会释放巨大的能量，给类星体和其它较弱的活动星系核提供能量。 这种能量的很小一部分如果被其寄主星系吸收，便能通过加热和推射它周围的气体使恒星的形成停止。

01. 漩涡星系中心的黑洞 漩涡星系中心的核球从结构上类似于小椭圆星系。内部的气体太热不能形成恒星，因此缺少年轻的蓝恒星，一般颜色很红。 每个核球包含一个中心黑洞，其质量与核球的恒星质量成正比， MBH ≈ 0.001Mbulge 。黑洞与核球在宇宙的年龄中大约同一个时期形成，这说明黑洞的形成与核球紧密相关。 落向黑洞的物质释放大量的能量，量级为静止质量的10%， 以光子和射电喷流的形式。即使所释放能量中的很小一部分（<1%）便能加热和将核球的全部气体吹出去。

02. 在红色椭圆星系形成中的黑洞 在寄主的核球中，黑洞的质量与恒星的质量和恒星的弥散速度紧密相关。这些相关表明黑洞的形成与核球的形成有着因果联系，有两种解释： 黑洞的吸积与恒星的形成一同发生，因为两者的原料是同样的气体。黑洞的生长和星爆同时并存，例如，极亮的红外星系、类星体和近邻的赛弗特星系。 当黑洞把全部气体吹出寄主星系，恒星形成终结。中心的AGN达到最大光度，超爱丁顿极限，速度弥散是它的核球特征。

吸积产生的能量反馈到周围的气体生成风，它可以压缩气体加速恒星的形成； 在最剧烈的情况下，全部的气体被吹跑，于是黑洞生长而恒星形成会突然结束。这种“熄火”对解释为什么椭圆星系偏红色是必须的。也能说明巨椭圆星系的化学成分所表明的恒星形成的时期很短暂。

03. 在星系团中的黑洞 在大质量的星系、星系群和星系团中的气体是热的，并大量地辐射X射线。解释为什么这种气体不很快地冷却的问题是著名的“冷却流”（Cooling flow)问题。这个问题在星系团中进行了广泛的研究，观测的限制特别强。解释冷却流的问题这涉及星系团中不同质量黑洞所引起的各种物理过程。

喷流还能形成射电瓣，激发冲击波和其它的扰动。所有这些过程都能加热星系团内的介质。 除了等离子体的内能，其中还有射电瓣内的相对论性粒子，也能加热星系团内介质。这些能量能够补偿X-ray 辐射所需的能量。

黑洞自调节吸积率来补偿冷却的说法在初级近似上正确，而且有些气体冷却并流向星系团的中心星系，再次激活恒星形成，导致兰核cD星系。

04. 宇宙早期中的黑洞 宇宙早期，辐射的冷却与引力的加热之间的竞争决定了暗物质晕所吸引形成的气体团块的命运。 在低质量的晕中，冷却占主导，星系形成和生长；当晕的质量达到临界质量 ，加热占主导，气体不再吸积到星系上； 晕并合形成大晕，包含着几十甚至几百个星系，称为星系群或星系团。在晕内的星系并合将盘转变成核球。星系并合中仍吸积气体，气体落到中心，触发恒星形成的爆发，并常常观测到给黑洞提供了物质使其快速增长。它们对星系的形成有重要影响。

七、最新的观点

不存在黑洞，大爆炸理论也是错的，已经数学验证 2014年09月29日 中国经济网报道： 不存在黑洞，大爆炸理论也是错的，已经数学验证 这项研究是由美国北卡罗来纳大学教堂山分校理论物理学教授劳拉·梅尔西尼—霍顿主持的。她宣称当恒星死亡时，它会释放出霍金辐射（Hawking radiation；注：霍金辐射是由斯蒂文·霍金（Stephen Hawking）在1973年左右通过思想实验预测的，2010年被证实。），但是在这个过程中，梅尔西尼—霍顿相信恒星同时也会丢失质量，多到使得它没有足够的密度形成黑洞。在形成黑洞前，她说，濒死的恒星会膨胀并爆炸。预想中的奇点永远不会形成，事件视界（黑洞中发出的光所能到达的最远距离）同样也不会形成。

在一篇在线发表的论文中，承认“宇宙中没有黑洞”，存在“灰洞”。这个理论震惊了物理学界，乃至整个世界。 英国《每日邮报》2014年1月24日报道 霍金提出：大质量天体的坍缩不足以形成黑洞，而形成比典型中子星有较小的半径和较大的密度的天体叫作灰洞。在可见光波段看不见的大于太阳质量3倍的一个星体可能就是很暗的灰洞。 在一篇在线发表的论文中，承认“宇宙中没有黑洞”，存在“灰洞”。这个理论震惊了物理学界，乃至整个世界。 宇宙中没有“黑洞”，有的只有“灰洞”。该理论来源于一篇名为《黑洞的信息保存与气象预报》的调查论文中，是霍金对黑洞的研究成果之一。

霍金认为，受到黑洞引力的影响，能量和物质先是靠近——但不会到达——黑洞中心，最终还会被释放出去。不过，它们的信息在黑洞中不会毁灭，但是被完全打乱，逃离之后面目全非，几乎无法还原。 美国波士顿大学的布雷彻（K.BRECHER)在1993年6月提出了存在有灰洞（GRAYHOLE）的可能性：大质量星的坍缩不足以形成黑洞，但有可能形成比典型中子星有较小的半径和较大的密度的星体。布雷彻认为灰洞的质量大于3倍太阳质量，这样，在某些情形便取消了对黑洞的需要。

灰洞具有不同于正常中子星的性质，这来源于两者不同的坍缩程度。广义相对论预言，坍缩到足够程度的恒星其外围将形成一个光子层，在该层内的光线绕星体运行，典型中子星光子层的半径比前者为小，同时，坍缩星的强大引力也导致漏出的辐射失去能量。布雷彻的计算表明，受上述两种作用的影响，从灰洞发出的辐射只有百分之四十能离开灰洞向空间辐射。灰洞之名称由此而来。在已发现的6个X射线双星系统中（上述天鹅座X-1和LMCX-3就是其中的两个），在可见光波段看不见的大于太阳质量3倍的一个星体可能就是很暗的灰洞，而不是黑洞。

灰洞的模拟图

白洞 白洞与黑洞是物理学家们根据爱因斯坦的 广义相对论上所提出的“假想”物体，或一种 数学模型。物理学界和天文学界将白洞定义为一种超高度致密物体，其性质与黑洞完全相反。白洞并不是吸收外部物质，而是不断地向外围喷射各种星际物质与宇宙能量，是一种宇宙中的喷射源。简单来说，白洞可以说是时间呈现反转的黑洞。

虫洞 虫洞的概念最初产生于对史瓦西解的研究中。物理学家在分析白洞解的时候，通过一个阿尔伯特·爱因斯坦的思想实验，发现宇宙时空自身可以不是平坦的。如果恒星形成了黑洞，那么时空在史瓦西半径，也就是视界的地方与原来的时空垂直。在不平坦的宇宙时空中，这种结构就意味着黑洞视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合，然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞，也可以是白洞。而这个弯曲的视界，就叫做史瓦西喉，它就是一种特定的虫洞。

先来看一个虫洞的经典作用：连接黑洞和白洞，成为一个爱因斯坦——罗森桥，将物质在黑洞的奇点处被完全瓦解为基本粒子，然后通过这个虫洞（即爱因斯坦——罗森桥）被传送到这个白洞的所在，并且被辐射出去。而且，在没有物体通过虫洞的时候，虫洞还比较“长寿”，而一旦有物体进入了虫洞，如果这个物体是负能量的，那么还好，虫洞...