3.宇宙黑洞的教案

宇宙中的黑洞教学设计

教学目的：理解黑洞的形成机理，掌握黑洞的分类，了解宇宙黑、白、虫三洞 教学重点：黑洞的探测与发现，致密恒星（黑洞）的喷流，黑洞的分类 教学难点：生成黑洞的机理

课时分配：用于现代科学技术概论宇宙片的讲授，可参考下列课时分配

一、黑洞的观测与发现0.5课时

二、致密恒星（黑洞）的喷流0.5课时；

三、黑洞的分类0.5课时；

四、黑洞、白洞、虫洞及时空旅行0.5课时

授课内容：宇宙中的黑洞

课后讨论：

1．历史上科学家对黑洞是怎样预言的？根据是什么？

2．黑洞家族都有哪些成员，各有什么特点？

3．探测黑洞的主要方法有哪些？

4．目前已初步探测到哪些可能是黑洞的天体？

5．通过上网浏览搜集关于“超级大黑洞”的报道资料，你从这些资料能够得 出怎样的认识和推断？

6．通过上网浏览和查阅文献，归纳克尔黑洞的资料

黑洞物理学是用物理方法研究黑洞的形成、结构及其运动规律的一门新兴学科，是天体物理学的一个分支。对黑洞的研究、探讨不论对物理学还是天文学都具有重要意义。

1．科学家的预言

黑洞早在18世纪就已提出，直到本世纪70年代才开始了广泛而富有成效的研究。

(1). 拉普拉斯预言的黑洞

1798年，法国天文学家皮埃尔·西蒙·马奎·德·拉普拉斯（1749～l827年）提出： 一个密度如地球而直径为太阳550倍的天体，通过引力的吸引作用，可以将全部光线捕获，成为不可见的天体，成为人们看不见的“黑洞”。拉普拉斯的预言，初看好像很“离奇”，其实它是建立在牛顿经典力学基础上的，可以用中学物理知识来加以理解。 我们知道，要想使人造地球卫星能绕地球运行，它的发射速度必须至少达到1V =R

GM =7.9公里／秒，其中G 为引力常数，M 为地球质量，R 为地球半径。V 1通常称为“第一宇宙速度”。如果发射速度小于V 1，卫星就会被地球引力吸回地面。如果我们想使飞船脱离地球，那么火箭发射速度必须至少达到2V =

R GM 2=l1.2公里／秒，通常称为“第二宇宙速度”。根据这个道理可以推测：如果一个天体，其质量很大而半径很小，则它的“表面脱离速度”就可达到光速；也就是说，连从它表面发射的光也要被引力吸住而跑不出去，那么其它运动物体也都跑不脱。这个天体就是黑洞。

(2). 史瓦西预言的黑洞

广义相对论预言，一定质量的天体，将对周围的空间产生影响而是使他们“弯曲”。弯曲的空间会迫使其附近的光线发生偏转。例如太阳就会使经过其边缘的遥远星体光线发生1.75弧秒的偏转。由于太阳的光太强，人们无法观看太阳附近的情景。1919年，一个英国日全蚀考察队终于观测到太阳附近的引力偏转现象，爱因斯坦因此成了家喻户晓的“明星”。

爱因斯坦创立广义相对论之后第二年（1916年），德国天文学家卡尔·史瓦西（1873～1916年）通过计算爱因斯坦方程后预言：如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点的周围存在一个界面──“视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”后来被美国物理学家命名为“黑洞”。 史瓦西从“爱因斯坦引力方程”求得了类似拉普拉斯的结果，即一个天体的半径达到r =22c

GM （M 是天体质量，c 是光速）时，连光线也无法逃脱它的引力。还有一些科学家，根据其它近代引力理论也作出了同样的预言。可见存在黑洞的预言是有不少理论根据的。按照这些理论，要使我们的地球成为一个黑洞，就必须把它的半径压缩到只有几毫米！这从人们日常的经验来看，是不可想象的。然而，这种威力无比的“压缩机”在自然界的确存在，这就是天体的“自身引力”。

天体一般存在“自身的向内引力”和“向外的辐射压力”。如果压力大于引力，天体就膨胀；引力大于压力，天体就收缩（坍缩）；如果二力相等，天体就处于平衡状态。对恒星而言，若质量大于2个太阳，则其引力坍缩的结局最终就形成黑恫。自然界中不但存在形成黑洞的巨大压力，而且任何大质量的天体最终都逃脱不了这种坍缩的结局。

2．黑洞的观测与发现

(1) .最引人关注的天鹅座X-1号的双星系统

1966年探测到天鹅座X-1号星，发射出很强的X 射线。1971年，X 射线天文卫星“自由号”在观察天鹅座X-1号星后证实：这是一个双星系统，看得见的那一颗是蓝色的超巨星；而看不见的伴星质量约为5倍太阳，体积却非常小，是一颗不发光而放射出强烈X 射线的奇异天体。这个奇异天体已经超过了黑洞质量的“理论界限”，大概就是一个黑洞。1976年11月美国发射的“高能天文台一2”号卫星，已经拍摄到这颗黑洞的照片。这是第一个可能的黑洞。

(2) .第二个可能的黑洞

第二个可能的黑洞是在银河系附近的一个星系中发现的。天文学家确认，这个星系的X 射线源LMCX －3中含有一颗质量大约为10个太阳质量的黑洞，它与另一颗普通的星组成一个双星系统。这颗致密暗星就是第二个可能的黑洞。

(3) .麒麟座X 射线新星A0620－00

1986年1月，在美国天文学会的休斯敦会议上，麦克林托克和雷米拉德宣布，他们发现了麒麟座X 射线新星A0620－00，它的质量至少是太阳质量的3倍，是目前发现的离地球最近的可能黑洞。这是迄今被发现的第三个黑洞恒星。

(4) .遥远星系（M87）的中心黑洞

最近报导，美国天文学会在一次会议上公布了哈勃太空望远镜拍摄的壮观照片，证

实在一个遥远星系（M87）的中心处，有一个巨大的黑洞正把星体吸进去，喷发出由辐射与热气组成的湍流。在这个星系中心有一个星体凝聚的像点那样的亮光源，距地球约5200万光年。

黑洞候选者一个个地发现，可以说硕果累累。然而，科学家们也还不能完全排除这些候选者不是黑洞的可能性。

3．黑洞家族

科学家们提出来的黑洞有多种，它们形成了黑洞家族。

(1).史瓦西黑洞

如前所述的“史瓦西黑洞”属于“寻常黑洞”，它由恒星演化而来。

(2).大黑洞

由爆发星系、类星体所形成的黑洞，称为“大黑洞”。爆发星系的核和类星体是体积小、质量大的天体，它们的质量可以达到10 ?106个太阳。关于大黑洞的形成说法不一，目前尚未得到观测上的证实，这将是今后若干年的一个重要研究课题。

(3).原始黑洞

原始黑洞是20世纪70年代由霍金提出来的，质量比2个太阳小得多。霍金还证明了小黑洞通过所谓“隧道效应”可以放射出物质和辐射。小黑洞有如下特点：

a.小黑洞“放出物质和辐射”意味着它具有温度

一吨质量的小黑洞的温度为1020（1万亿亿）K，实在惊人！而寻常黑洞温度接近绝

108（亿分之一）K。

对零度，冷得惊人。例如一个晚期恒星形成的黑洞，温度≤-

b.小黑洞的吸积效应小于发射效应

由于发射效应超过了吸积效应，所以总的来说小黑洞的质量在不断减少，而温度则不断升高。这种过程不断升级，直到黑洞完全蒸发掉为止。这是原始黑洞区别于寻常黑洞的一个重要特征。如果在我们的太阳系中能找到这种原始黑洞，那么便给我们提供了巨大的能源：从原始黑洞引出来的能量，能使人类跨过核能时代进入一个新的能源时代。

(4). 微型黑洞

原苏联物理学家特罗缅柯于1991年又提出了“微型黑洞存在于一切空间”的假说，引起一些科学家的关注。他认为这种微型黑洞在地球上也存在。例如美国夏威夷群岛的火山之所以仍在活动，就是因为地球地幔中隐藏着微型黑洞，成为使岩浆处于沸腾状态的热源。而微型黑洞所发射的中微子数量是太阳的1000倍，因此在火山内部较易观测到中微子。

黑洞有一个庞大的家族，他们的脾气、禀性还有很大差异，这些都是值得研究的。4．黑洞白洞两兄弟

黑洞概念已使人们感到非常新鲜，然而在60年代初又由诺维可夫和尼曼等人根据爱因斯坦广义相对论，提出了白洞的概念。白洞是黑洞的相反过程。黑洞是宇宙中的收缩区域，是吞食实物和光的“陷阱”；白洞却是字宙中的膨胀区域，各类高能物质乃至光线从这个源泉涌向字宙。

科学家们对于黑洞、白洞的研究提出了许多有趣的观点。例如，建立黑洞和白洞连通结构，通过这样的超空间可以不费时地从宇宙的这边跳到那边。黑洞白洞二者的存在并不矛盾，只是过程的两个端点而已。黑洞是物质末期坍缩的终局，白洞是星系物质的伊始，

只不过两种过程不是同时的，而是先后交错的。还有人认为，宇宙物质不是单向衰老而消失，而是不断循环转化；黑洞状态虽然是物质坍缩的端点，但是进入黑洞的物质并非被消灭。它们通过黑洞——白洞的连通转化为白洞状态。

5．仍是难解之谜

黑洞的存在虽然有很多理论根据，科学家们也在千方百计地证实它，但至今尚无定论。当前的观测及理论也给天文学和物理学提出了许多新问题。例如，一颗能形成黑洞的冷恒星，它的密度已经超过了原子核本身的密度，这时的原子核可能已被压碎。如果再继续坍缩下去，那么黑洞中的密度会超过核子，核子也可能已被压碎。那么，黑洞中的物质基元是什么呢？另外，有什么斥力与引力对抗才使黑洞停留在某一阶段而不再继续坍缩呢？如果没有斥力，那么黑洞将无限地坍缩下去，直到体积无穷小，密度无穷大，内部压力也无穷大，这是物理学理论所不允许的。

关于白洞的起源至今仍还有两种不同的看法：一种是前面讲的认为白洞由黑洞转化而来，另一种则认为是来自字审大爆炸。

总之，目前我们对黑洞和白洞的本质的了解还很少，它们还是神秘的东西，很多问题仍需要进一步探讨。