白矮星中子星与黑洞
黑洞到底是怎么样形成的有哪些说法
黑洞到底是怎么样形成的有哪些说法关于黑洞的形成，科学界有着很多的说法，但却并没有一个统一的说法。
下面是小编分享的黑洞的形成原因，一起来看看吧。
黑洞的形成原因亦可以简单理解：通常恒星的最初只含氢元素，恒星内部的氢原子时刻相互碰撞，发生裂变、聚变。
由于恒星质量很大，裂变与聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡，以维持恒星结构的稳定。
由于裂变与聚变，氢原子内部结构最终发生改变，破裂并组成新的元素——氦元素。
接着，氦原子也参与裂变与聚变，改变结构，生成锂元素。
如此类推，按照元素周期表的顺序，会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成。
直至铁元素生成，该恒星便会坍塌。
这是由于铁元素相当稳定不能参与裂变或聚变，而铁元素存在于恒星内部，导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡，从而引发恒星坍塌，最终形成黑洞。
跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由质量大于太阳质量20倍的恒星演化而来的。
当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢)，由中心产生的能量已经不多了。
这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。
所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。
质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。
而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。
如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。
这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积很小、密度趋向很大。
而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。
根据科学家计算,一个物体要有每秒种7.9公里的速度,就可以不被地球的引力拉回到地面,而在空中饶着地球转圈子了.这个速度,叫第一宇宙速度.如果要想完全摆脱地球引力的束缚,到别的行星上去,至少要有11.2km/s的速度,这个速度,叫第二宇宙速度.也可以叫逃脱速度.这个结果是按照地球的质量和半径的大小算出来的.就是说,一个物体要从地面上逃脱出去,起码要有这么大的速度。
白矮星、中子星和黑洞
- 磁场放大机制 为什么中子星自转轴与磁轴不重合？ - 可能与超新星爆发时，中微子辐射的不对 称性有关。
1 2 G M m m c 2 R S
2 G M R 2 2 . 9 6 ( M / M ) S c
表
天体的致密程度可以用 RS / R 示。
由
名称
正反粒子对
时空旅行
通过虫洞实现时空旅行，并不违反物理 定律，但是因果律面临困难。 但极难制造大虫洞。
只有基本粒子可作时空旅行?
理论与观测的比较
引力红移：按照广义相对论，在远离引力场的地方 观测引力场中的辐射源发射出来的光时，光 谱中的谱线向红端移动，波长红移的大小与 辐射源和观测者两处的引力势差成正比。
核坍缩形成中子强磁场？ - 角动量守恒（质量、伸展度和旋转速度）
潮汐作用(Tidal effect)
距离越远，重力越小，因此物体不同部份 受到的引力不同 例﹕人站在地面，脚所受重力大于头 潮汐力﹕ 上下扯开，左右压缩。
潮汐力
虫洞
广义相对论解出虫洞的 产生可不依靠黑洞，但 只能维持极短的时间。 因为需要极大的张力来 抵抗重力以保持稳定。 量子理论给出极小尺度 时空充满虫洞。 需要将量子理论与广义 相对论统一才能明白。
2.白矮星基本特征 在H-R图上白矮星位于主序带的左下方
白矮星的形成
~8 1 0 M 白矮星是质量 的主序星的演化产物。在主序 星演化为红巨星之后，会将其 包层抛出，形成行星状星云， 而恒星内部辐射压力不足以抵 抗自引力，物质收缩成为一个 高密度的电子简并态的碳/氧球。
理论与观测的比较
反粒子
图片来源：Mirabel & Rodriguez 1998
天文学中的星体分类
天文学中的星体分类星体分类是天文学中的基础领域之一。
它主要是为了更好地了解和研究各种天体的特征和性质，以及它们在宇宙中的角色和作用。
在天文学中，星体可以分为多种类别。
一、恒星恒星是天文学中最常见的天体类型之一。
它们是由氢、氦等元素组成的热核聚变反应的产物。
恒星的分类主要是根据它们的温度、光度和质量等方面来进行的。
它们被划分为多个类别，包括红色矮星、白矮星、脉冲星、中子星和黑洞等。
1、红色矮星红色矮星（Red dawrf）是恒星中最小和最冷的一类，其质量比太阳小至不到0.5倍。
它们的表面温度通常在4000—3000K之间，寿命很长，被认为可以存在几十亿年左右。
2、白矮星和红色矮星相比，白矮星的质量要大，通常在0.5到1.4倍太阳质量之间，而半径比太阳小得多。
它们的表面温度很高，通常在10,000-100,000K之间。
白矮星的寿命比较短，通常在10亿年以下。
3、脉冲星脉冲星（Pulsar）是一种具有极高自转速度的中子星残骸，其磁场强度非常高，可以达到10^12到10^13高斯。
它们的旋转周期通常在毫秒或秒级，由于不规则的物质吸积，它们会不时地“脉冲”，这就是脉冲星的名字来源。
4、中子星中子星（Neutron star）是通过恒星的爆炸和残骸形成的一类含有非常高密度物质的恒星。
它们的质量通常在1.4倍太阳左右，而半径只有几十千米，密度高达10^15克/立方厘米。
中子星的温度可以很高，通常在10^6到10^7K之间。
5、黑洞黑洞（Black hole）是恒星的另一种极端状态。
它们形成于恒星爆炸后，残骸的部分物质被压缩成为一个极其致密且引力极强的天体。
它们的质量可能达到数百倍于太阳，但其半径却非常小。
黑洞的质量和自转速度会控制其吸积和排放的物质量和速度，使它们成为极其活跃和强光源。
二、行星行星是太阳系中的天体，绕太阳运行且没有发光。
行星可以分为气态行星和岩石行星，每个类型均有不同的特征和属性。
1、气态行星气态行星（Gas giant）是一种质量很大、体积很大的行星，它们通常由氢、氦、甲烷、氨等气体和冰组成。
黑洞的形成和演化历程
黑洞的形成和演化历程在宇宙浩瀚无垠的黑暗空间中，隐藏着许多神秘的黑洞。
黑洞作为宇宙中最为神秘和恐怖的物体之一，一直以来都吸引着科学家们深入探索其形成和演化的历程。
那么，黑洞是如何形成的呢？它们的演化又经历了什么样的过程呢？首先，黑洞是由恒星坍缩而成。
当一个恒星燃尽所有的核燃料时，核心无法再维持恒星力量平衡，就会发生坍缩。
若其质量足够大，坍缩后会形成黑洞。
这是由于坍缩使得物质密度无限增大，引力场也随之无限增强，直至成为不可逾越的奇点。
奇点是时空弯曲、密度无限大的区域，处于奇点内的一切物质都会被吞噬。
然而，并非所有恒星的坍缩都能形成黑洞。
根据质量大小的不同，恒星的命运也各异。
质量较小的恒星坍缩后会变成白矮星或中子星，而质量较大的恒星则会演化成黑洞。
这是因为质量巨大的恒星在坍缩时，引力完全克服了原子的电子压力，使物质坍缩到了奇点的边缘。
黑洞的演化历程也十分复杂。
一旦黑洞形成，它会继续吸收周围的物质，增加自身的质量和引力。
黑洞所吸收的物质主要来自附近的星系、恒星和气体云团等。
当物质掉入黑洞时，会在周围形成一个名为“吸积盘”的物质环，物质在吸积盘中快速旋转并逐渐向黑洞中坠入。
正是通过这种方式，黑洞能够维持和增长其质量。
不仅如此，黑洞还会以极高的速度射出物质和能量，形成所谓的“喷流”。
喷流呈现出喷涌的形态，将物质和能量高速喷射到周围的空间中。
喷流的形成机制目前还不完全清楚，但科学家们认为这与黑洞的旋转和磁场有关。
另外，黑洞还有可能与其他的黑洞合并，形成更大质量的黑洞。
这种黑洞的合并现象一直备受科学家们的关注，因为它可以通过引力波来检测黑洞的存在。
引力波是由黑洞合并等事件所产生的，它是时空弯曲振动的一种表现，可以用来验证黑洞理论并研究宇宙的演化。
总结起来，黑洞的形成和演化是一个充满奥秘的过程。
恒星的坍缩形成黑洞，黑洞通过吞噬周围的物质增加质量，并以极高的速度喷射物质和能量。
黑洞的合并现象可以通过引力波来进行观测和研究。
白矮星 中子星 与 黑洞 White Dwarfs Neutron Stars and Black Holes
White Dwarfs are about the size of Earth
White Dwarf vs Neutron Star
Neutron Stars are about the size of a small city, like Las Cruces
Neutron Star vs Black Hole
Solar mass Black Holes are about the size of a university campus, like NMSU
White Dwarfs
WDs are the hot core remnants of dying low mass (<8 Msun) stars. When they first form the outer layers of the star can be seen in a planetary nebula
CRAB NEBULA: a supernova that blew 950 yrs ago. It has a NS in its center. How do we know?
Neutron stars are the lighthouses of the Universe.
The magnetic fields of the stars also collapse and become very very concentrated. The star is now spinning very very fast (between 30 up to 1 million times per second!).
With all that energy and spinning, surface electrons get stripped out and beam gamma-ray, X-ray, UV, and optical radiation along the star’s poles.
12-黑洞
白洞与黑洞是相通的，它们之间有一条通道，叫做 “蛀洞”。正是这条通道，把黑洞吸集的物质，运到白 洞喷发出去。美国天文学家认为，蛀洞这一通道可能使 我们与其它的宇宙相连。 那么，白洞是怎样形成的呢？著名的英国天体物理 学家霍金认为，白洞有“自发蒸发”现象，它会使白洞 质量减小。小白洞在很短的时间内就蒸发干净，大白洞 则需要时间较长才可蒸发干净。蒸发过程中，质量不断 减少，且随质量的减少加速蒸发。最后发生一种反收缩 方式的猛烈爆发，这与黑洞很类似。 总的来说，白洞和蛀洞还只是广义相对论的一个数学 结果，还未得到证实，而且就理论自身来看，也还有许 多问题要解决。 13
27
(3) 时空互换：在黑洞里面，时间和空间变得面目全 非，它们相互交换，时间摇身一变成了空间，空间 也乔装改扮成了时间 。 (4)黑洞的蒸发: 运用量子理论，英国物理学家史蒂 芬· 霍金提出了黑洞的量子论，指出黑洞里的粒子不 是绝对不能逃出来的，它可以通过一种量子隧道过 程蒸发出来，这称为黑洞的蒸发。
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视界
在外部观察者看来，一个坍缩天体，当缩至半径 R=rg时，这一球面是给观察者的最后界面，从此， 这颗恒星就在观察者的视野中消失了，球面R=rg 叫做视界。 天体在缩进球面以后，按照广义相对论，它会无 限制地坍缩下去，而黑洞的大小却不再变了，它 的表面就是视界R=rg。
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无限红移面
在相对论的恒星引力场中，接 收器接收到的频率v2，恒星表 面发出的光频率为v1
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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” 按此物理量分类： 1.克尔—纽曼黑洞，三者都有 2.克尔黑洞，无电荷 3.莱斯纳黑洞，无角动量 4.西瓦兹黑洞，只有质量
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以克尔黑洞为例： 克尔黑洞有一个静界和一个外视界，静界是 一个旋转椭圆面，外视界是一个球面，包含在 静界和外视界之间的 空间称为能层。
白矮星中子星黑洞密度
白矮星中子星黑洞密度
白矮星、中子星和黑洞是宇宙中的三种极端物体，它们的密度也是极高的。
其中，白矮星的密度约为1万克/立方厘米，中子星的密度则高达10亿克/立方厘米，而黑洞的密度更是无限大。
白矮星是一种由质量较小的恒星演化而来的物体，其内部主要由电子和离子组成。
由于内部压力过大，白矮星会发生热核爆炸，不断释放能量，最终会变成一个冷却的球体。
由于其质量较小，白矮星的密度并不高。
中子星则是由质量更大的恒星演化而来的物体，它的内部主要由中子组成。
由于中子之间的强相互作用，中子星的密度非常高。
事实上，中子星的密度甚至可以达到原子核的密度，也就是10亿克/立方厘米。
黑洞是宇宙中最神秘的物体之一，它的密度更是无限大。
黑洞的形成是由于某个质量极大的物体塌缩到了一定程度，形成了无法逃逸的引力场。
在黑洞的中心，所有物质都会被压缩到无限小的点上，称为奇点。
由于奇点的存在，黑洞的密度是无限大的。
总之，白矮星、中子星和黑洞的密度都非常高，其中黑洞的密度更是达到了无限大的程度。
这些极端物体对我们了解宇宙的本质和演化有着重要意义。
- 1 -。
星空相关知识点归纳总结
星空相关知识点归纳总结一、恒星1. 恒星的种类恒星分为主序星、巨星、白矮星、中子星和黑洞等不同种类。
主序星是由氢和氦等元素组成的。
巨星是质量比较大的恒星，它们的直径比较大，温度较低。
白矮星是质量较小的恒星，是由原来的恒星消失后剩下的核心部分。
中子星是一种非常致密的天体，由原来的恒星剩下的核心部分。
黑洞是一种密度无穷大的天体，它的引力非常强大，连光都无法逃脱。
2. 恒星的形成恒星形成的过程主要分为星云凝结、重元素合成和核聚变三个阶段。
星云凝结是指星云中的物质凝结成小颗粒。
重元素合成是指恒星内的高温高压条件下，原子核发生核反应，产生重元素。
核聚变是指恒星内部的氢原子核和氦原子核发生核反应，放出能量。
3. 恒星的演化恒星的演化可以分为原恒星时期、红巨星时期和恒星残骸时期。
原恒星时期是指恒星处于主序星期的阶段，主要是氢核聚变产生的能量支持恒星的亮度和稳定性。
红巨星时期是指恒星的氢耗尽后，外层气体膨胀形成红巨星。
恒星残骸时期包括了白矮星、中子星和黑洞等不同的残骸状态。
二、星系1. 星系的种类星系包括了椭圆星系、螺旋星系和不规则星系三种主要类型。
椭圆星系是一种形状呈椭球形的星系，它的构造比较简单，主要由老年恒星组成。
螺旋星系则呈螺旋状，它的构造则比较复杂，包括了大量的尘埃和气体。
不规则星系则没有明显的规则结构。
2. 星系的形成星系的形成是一个复杂的过程，它的主要模型有自由坍缩模型、螺旋臂密度波模型和暗物质引力坍缩模型等。
自由坍缩模型是指星系由原来恒星和气体云按照自由坍缩的方式形成。
螺旋臂密度波模型是指星系内部的气体云由于密度波的作用而形成螺旋臂。
暗物质引力坍缩模型则是指在暗物质的引力作用下，星系内的气体和尘埃逐渐聚集形成星系。
3. 星系的演化星系的演化可以分为形成时期、成熟时期和稀疏时期三个阶段。
形成时期是指星系初期的形成阶段，气体和尘埃逐渐凝聚形成星系。
成熟时期是指星系内部的恒星和气体形成了相对稳定的结构和运动规律。
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1983年（73岁）获诺贝尔物理奖！
四、中子星与脉冲星
（1）中子星的预言 中子的发现
玻特（1930） 约里奥夫妇（1931） 查德威克（1932）
中子星的预言
朗道（1932） （几乎与钱德拉塞卡同时指出，白矮星 有质量上限，结论相似）
（2）奥本海默极限
M 1.4M 中子星
M 3M 继续坍缩（1939年）
第六讲 白矮星、中子星与黑洞
赵峥 北京师范大学
一、历史上的黑洞 二、恒星的演化 三、白矮星与红巨星 四、中子星与脉冲星 五、超新星爆发 六、对黑洞的早期认识
加尔各答黑洞
加尔各答黑洞
20平方米，3个犯人 关进146名俘虏，10小时后，123人死
去，仅23人存活。
一、历史上的黑洞
200年前（拿破仑时代）
恒星密度与半径的比较
太阳 白矮星 中子星
黑洞
半径 70万千米 1万千米
10千米 3千米
密度 1.4克/cm3 1吨/cm3 1~10亿吨/cm3 100亿吨/cm3
恒星尺度的比较图
三、白矮星与红巨星
（1）天狼伴星（天狼B星）
天狼（大犬座 ），距我们9光年，
最亮的恒星。
举长矢兮射天狼,操于弧兮反沦降——屈原 会挽雕弓如满月,西北望,射天狼——苏东坡
六、对黑洞的早期认识
1、球对称黑洞
1915 广义相对论
1916 史瓦西得到静态球对称解
——拉普拉斯
GMm 1 mc2 r2
r
rg
2GM c2
用万有引力定律，未用广义相对论。
光子动能误为 1 mc2，而不是mc2
2
两个错误相互抵消
正确的结论！
当时不知道光速是极限速度，因此光虽 无法逃离暗星，其它物体仍有可能逃离。
天体力学第一版、第二版均谈到暗星， （1796）（1799）
奥本海默极限 约 3M
中子星密度 1~10亿吨/cm3
（3）脉冲星的发现 休伊士，贝尔（1967） 巡天观测，“小绿人”
（4）脉冲星就是中子星 中子星磁场极强 自转轴与磁轴不重合 自转极快（恒星收缩时角动量守恒）
660转/秒
（5）中子星的构造
中子星就像一个大汤姆孙电子 中子星可以看作周期表中的稳定岛？ 表面没有山峰 表面温度1000万度 表面大气层厚度0.1~10cm
（3）白矮星的原理与演化 白矮星的支撑力：泡利斥力
电子自旋 泡利不相容原理 电子自旋 ——乌伦贝克，高斯密特（爱仑菲斯特） 1925
（泡利的失误）
白矮星大量存在
白矮星靠电子间泡利不相容原理的斥力 支撑
白矮星的结局——黑矮星
（4）钱德拉塞卡极限
1.4M
1934年提出（24岁） 爱丁顿反对！ 爱因斯坦也不赞同。
但第三版取消 （1808）
托马斯·杨1801年完成双缝干涉实验
1939年，奥本海默在研究中子星时， 再次预言“暗星”的存在。
广义相对论
光子 mc2
rg
2GM c2
太阳半径 70万千米，密度1.4克/cm3 暗星半径 3千米，密度100亿吨/cm3
当时已知密度最大的物质是构成白矮星 的物质 ~1吨/cm3
弹，即超新星爆发
中子星或黑洞
（3）超新星与地球
构成固体行星的重元素是超行星爆发 的产物，爆发时抛入太空，被恒星吸引， 聚集成行星。
（4）中国现代对超新星的观测 北京天文台，李卫东
（5）是否存在夸克星或奇异星 对中子星的疑问：
为何观测到的脉冲星质量均在1.4M 左右？ 是否存在其他致密星？
有人认为中子态并非基态，基态是奇异夸克 态
五、超新星爆发
（1）最早的超新星纪录 公元1054年，金牛座超新星爆发，23
天白日可见，2年晚上仍可见。
蟹状星云（1731年发现）
1919年，认识到蟹状星云为1054年超新 星爆发遗迹。
1928年，测出膨胀速度1100公里/秒，认 识到中心小暗星为爆发残留物。
1968年，发现小暗星是脉冲星。
米歇尔（1783） 暗星
拉普拉斯（1796） 《宇宙体系论》 《天体力学》
“天空中存在着黑暗的天体，像恒星那样 大，或许像恒星那样多。一个具有与地 球同样密度，而直径为太阳250倍的明 亮星体，它发射的光将被它自身的引力 拉住，而不能被我们接收。正是由于这 个道理，宇宙中最明亮的天体很可能却 是看不见的。”
H He
H He， 温度达1亿吨）
膨胀） 氦闪！宇宙的
一瞬间
氦闪： He C , O 100万年
1刹那=1念=0.018秒 1瞬间=20念=0.36秒 1弹指=20瞬间=7.2秒 1罗预=20弹指=2.4分 1须臾=20罗预=48分 1昼夜=30须臾=24小时
氦闪之后，红巨星继续膨胀，抛出气体 形成行星状星云，内核坍缩成为白矮星。
中子星 夸克星（中心是夸克汤）
为何钱德拉塞卡极限与奥本海默极限接近？
（6）黑洞的形成
奥本海默极限
～ 3M
坍缩星体质量 奥本海默极限
物质坍缩进引力半径 黑洞
rg
2GM c2
惠勒反对；内爆模拟证明奥本海默对！
黑洞的大小
太阳引力半径 半径3公里 地球引力半径 半径1cm 月球引力半径 半径0.1mm （引力半径即星体坍缩成的黑洞的半径）
结论：超新星爆发 中子星（脉冲星）
（2）超新星简介 银河系平均 4 颗/百年 1天发的光=太阳1亿年发的光
超新星爆发
爆发过程
主序星 超红巨星（中心30亿度，形成铁核） M 8M 白矮星状态铁核
如铁核 1.4M 会突然坍缩，0.1秒内
升温达50亿度（形成中子态）
非中子化外层坍缩砸在核上，发生反
离我们最近的恒星
南门二（半人马座 ）
三合星（聚星），其中A、B星相互 较近，较亮，4.35光年；C星（比邻星） 4.28光年。
1834年发现，天狼星位置有周期变化，
28年后发现伴星， ~175千克/cm3
白矮星，1万度
（2）白矮星的形成 主序星（100亿年）
红巨星
白矮星
中心1500万度
（外层 （内核收缩，
黑洞的密度
密度=
质量 体积
~
M rg 3
，rg
~
2M
黑洞
~
1 M2108M的黑洞，与水差不多
二、恒星的演化
主序星→红巨星→白矮星
~1吨/cm3
中子星 ~10亿吨/cm3
超新星爆发 黑洞
~100亿吨/cm3
钱德拉塞卡极限 奥本海默极限
1.4 M 2~3 M
赫罗图
赫罗图
恒星的演化
全部炸飞