第四節黑洞、白洞和蟲洞東華理工大學主要內容黑洞的形成與尋找蟲洞白洞黑洞、蟲洞和白洞之間的關系一、黑洞黑洞的成因與分類；黑洞的碰撞和黑洞的蒸發黑洞的尋找1.黑洞的成因與分類概述：1）黑洞是我們宇宙中最奇怪、最神秘的物體。天文學家相信在宇宙中有無數的黑洞，并且認為黑洞是涵蓋了一切事物開始的關鍵。目前最大最古老的黑洞2004.6月，美國斯坦福大學2）黑洞是根據現代的廣義相對論所預言的，在宇宙空間中存在的一種質量相當大的天體和星體（并非為一個“洞”）。黑洞是由質量足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡后，發生引力坍縮而形成。黑洞的質量是如此之大，它產生的引力場是如此之強，以致于任何物質和輻射都無法逃逸，就連光也逃逸不出來。由于類似熱力學上完全不反射光線的黑體，故名為黑洞。在黑洞的周圍，是一個無法偵測的事件視界，標志著無法返回的臨界點。質量僅為太陽的3.8倍

黑洞的質量沒有上限，甚至是太陽的數億倍美天文學家發現最小黑洞2001.4.28XTEJ1650-500

直徑僅25公里成因：1）一個大質量的恒星在其生命最后階段會因自身的引力而坍縮。它自身的引力是如此之強，使它的核坍塌直至成為一個沒有大小、密度極大的數學上的點。圍繞這個點有一個直徑只有幾千米被稱為視界的區域，這里引力強得使任何東西、甚至于連光都不能逃逸出去，這就是黑洞。3）在宇宙大爆炸的早期，宇宙的壓力和能量是如此之大，足以使一些物質小團塊壓縮成為不同尺度和質量的太初黑洞。黑洞的分類：根據質量、角動量和電荷1）史瓦西黑洞：最簡化的無電荷、無轉動的球對稱黑洞；2）雷斯勒—諾斯特諾姆黑洞：有電荷、無轉動的球對稱黑3）克爾黑洞：無電荷但有轉動的黑洞4）克爾—紐曼黑洞：又帶電荷又有轉動的黑洞。

眾所周知，黑洞是看不見的，因此科學家們只能依靠它發出的輻射和對相鄰恒星的萬有引力作用來判定它的存在。一般來講，天文學家們將黑洞分為兩類：星狀黑洞和超大質量星狀黑洞。星狀黑洞由質量相當于幾個太陽的恒星坍縮形成，而超大質量星狀黑洞的質量則可達十億個太陽質量。銀河系中心和類星體中心的超級大黑洞。2.黑洞的碰撞和黑洞的蒸發早期宇宙物質的分布相對集中，彼此之間相隔的距離不遠，在各處飄蕩著的黑洞很有可能相互遭遇，導致兩個具有強大引力場的天體發生劇烈的碰撞，然后合而為一。在一些星系內部，星系中心的強引力會使鄰近的恒星及星際物質更加趨向中心，當聚集在一起的質量大到一定程度的時候，就會坍縮成黑洞。星系中心區域的一些大質量恒星死亡后坍縮成小黑洞，它們有許多機會相互碰撞而形成更大的黑洞。2.1黑洞的碰撞：一般認為，黑洞一旦形成就不會轉化為別的什么東西。黑洞的質量只會因吸進外界的物質而增加，絕不會因逃脫物質而減少。也就是說，按照經典物理學，黑洞是不能向外發出輻射的。1974年霍金提出黑洞蒸發理論：按照量子力學，可以允許“粒子”從黑洞中逃逸出來。

2.2黑洞的蒸發：量子力學表明，整個空間充滿了“虛的”粒子反粒子對，它們不斷地成對產生、分開，然后又聚到一塊并互相湮滅。在黑洞存在的情形下，虛粒子對中的一個成員可以落到黑洞里去，留下來的另一個成員就失去可以與之相湮滅的配偶。這個被背棄的粒子或反粒子，可以跟隨其配偶落到黑洞中去，但是它也可以逃逸到無窮遠去，作為從黑洞發出的輻射而存在。由于黑洞質量越小，其引力場就越小，粒子逃逸的過程就變得越容易，因此黑洞粒子的發射率及其表面溫度就越大。黑洞向外輻射粒子導致黑洞質量減小，進一步導致了輻射速率和溫度的上升，因而黑洞的質量就減小得更快。當黑洞的質量變得極小的時候，它將在一個巨大的、相當于千百萬顆氫彈爆炸的發射中結束自己的歷史。白矮星：也稱簡并矮星，是一種由電子之間不相容原理排斥力所支持的穩定恒星，由電子簡并物質構成的小恒星。3.黑洞的尋找特征：低光度、高密度、高溫度的晚期恒星，被認為是低質量恒星演化階段的最終產物。最早發現的白矮星：天狼星伴星形成過程：在紅巨星階段的末期，恒星的中心會因為溫度、壓力不足或者核融合達到鐵階段而停止產生能量，恒星外殼的重力會壓縮恒星產生一個高密度的天體。大部分恒星演化過程都包含白矮星階段。由于很多恒星會通過新星或者超新星爆發將外殼拋出，一些質量略大的恒星也可能最終演化成白矮星。白矮星白矮星：恒星瀕臨死亡時生命形態

年輕白矮星固定軸環繞一對投石器白矮星吃彗星正在形成的白矮星

白矮星的內部不再有物質進行核融合反應，因此恒星不再有能量產生，也不再由核融合的熱來抵抗重力崩潰；它是由極端高密度的物質產生的電子簡并壓力來支撐。物理學上，對一顆沒有自轉的白矮星，電子簡并壓力能夠支撐的最大質量是1.4倍太陽質量，也就是錢德拉塞卡極限。如果白矮星的質量超過1.4倍太陽質量，那么原子核之間的電荷斥力不足以對抗重力，電子會被壓入原子核而形成中子星。白矮星致密的球體擁有幾乎像太陽一樣的質量，但是體積只有地球那么大。由于白矮星體內已經沒有什么燃料可以燃燒，因此它們通常只通過發射本身儲藏的熱量，發出非常微弱的光。白矮星被認為是一顆恒星的生命終點，我們銀河鄰域的大部分恒星正在一步步邁進這個階段，其中包括太陽，但是僅有大約3%的鄰域恒星的質量足夠大，可以進一步轉變成超新星。中子星：又名波霎，是恒星演化到末期經由重力崩潰發生超新星爆炸之后，可能成為的少數終點之一。即質量沒有達到可以形成黑洞的恒星在壽命終結時塌縮形成的一種介于恒星和黑洞的星體，其密度比地球上任何物質密度大相當多倍。非常靠近地球的中子形成過程：恒星在核心的氫于核聚變反應中耗盡，完全轉變成鐵時便無法從核聚變中獲得能量。失去熱輻射壓力支撐的外圍物質受重力牽引會急速向核心墜落，有可能導致外殼的動能轉化為熱能向外爆發產生超新星爆炸，或者根據局恒星質量的不同，整個恒星被壓縮成白矮星、中子星以至黑洞。望遠鏡下的中子星中子星與白矮星的區別：白矮星的密度雖然大，但還在正常物質結構能達到的最大密度范圍內：電子還是電子，原子核還是原子核；在中子星里，壓力是如此之大，白矮星中的簡并電子壓再也承受不起了：電子被壓縮到原子核中，同質子中和為中子，使原子變得僅由中子組成。而整個中子星就是由這樣的原子核緊挨在一起形成的。可以這樣說，中子星就是一個巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。中子星的質量非常大由于巨大的質量就連光線都是呈拋物線掙脫。白矮星被壓縮成中子星的過程中恒星遭受劇烈的壓縮使其組成物質中的電子并入質子轉化成中子。密度：1011kg/cm3，為水的密度的一百萬倍。中子星是除黑洞外密度最大的星體，同黑洞一樣，也是20世紀60年代最重大的發現之一。根據科學家的計算，當老年恒星的質量大于十個太陽的質量時，它就有可能最后變為一顆中子星，而質量小于十個太陽的恒星往往只能變化為一顆白矮星。黑洞與白矮星、中子星一樣，都是先有理論預言然后開始實際的尋找。隨著白矮星和中子星的相繼發現，尋找黑洞就成為天文學家需要解決的一個課題。雖然，黑洞并不發光，不能直接觀測到，但它與周圍物體有相互作用，所以天文學家還是可以利用多種間接的方法尋找黑洞。3.黑洞的尋找當一顆超新星爆發時，恒星的核一般要塌縮成中子星，但如果這個核的質量大于三個太陽，它就會變成黑洞了。現在普遍認為，尋找黑洞最好從X射線雙星著手。如果一個發射強大的X射線的雙星系統中有一顆子星看不見，又可根據另一顆可見子星的軌道運動估計出看不見的子星的質量遠大于中子星質量的上限，那么這個發射X射線的天體不應是中子星，很可能是黑洞。黑洞只有在靠近另外一顆恒星時才會被探測到。黑洞強大的引力將它附近恒星的氣流高速拉到自己身上，它就像一口無底的深井，吸著四周的一切。氣體向黑洞傾泄在黑洞周圍形成一個旋渦叫吸積盤。氣體間強烈的摩擦使旋轉的氣體變熱發出強光，最熱的部分達到1億攝氏度，這