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黑洞研究获诺奖


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我们来玩猜谜语吧!

好啊!

屈身煤窟伸手不见五指,猜一个天体。

黑洞!!

不错哟!

那当然。我喜欢探索天文方面的知识。最近诺贝尔物理学奖揭晓了呢!

“我们的征途是

星辰大海”

年诺贝尔物理学奖揭晓,

奖项又落在天体物理学的领域。

可见人类在探索宇宙的路上从未止步!

这个奖颁布给关于黑洞的研究上。

大家应该都听过黑洞吧?

你知道它是什么样子的吗?

要不随我去揭开它的神秘面纱吧!

Part01

关于黑洞的小知识

黑洞的简介

中文名:黑洞

外文名:BlackHole

别称:无底洞、空间断裂带

发现者:KarlSchwarzschild

发现时间:年

平均密度:ρ=3Mc^2/8πGM

黑洞的类型

根据黑洞本身的物理特性质量,角动量,电荷划分,可以将黑洞分为五类。

不旋转不带电荷的黑洞:它的时空结构于年由史瓦西求出,称史瓦西黑洞。

不旋转带电黑洞:称R-N黑洞。时空结构于至年由赖斯纳(Reissner)和纳自敦(Nordstrom)求出。

旋转不带电黑洞:称克尔黑洞。时空结构由克尔于年求出。

上图为克尔黑洞模型

一般黑洞:称克尔-纽曼黑洞。时空结构于年由纽曼求出。

双星黑洞:与其他黑洞彼此之间相互绕转的黑洞

素材源自搜狗百科

黑洞的形成

当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料,由中心产生的能量已经不多了,因此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,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径),质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就诞生了!!!

说浪漫一点就是:一颗恒星的终结意味着黑洞的诞生。

黑洞就是中心为一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小,热量无限大的奇点和周围一部分空空如也的天区,这个天区范围之内不可见,能够吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。

黑洞的神秘色彩也因此变得更深。

Part02

关于本次获奖研究的重大意义

本次获奖研究

年诺贝尔物理学奖一半授予RogerPenrose,以表彰其给出的黑洞形成的证明,这成为是广义相对论的有力证据;另一半则授予ReinhardGenzel,AndreaGhez,以表彰他们对于银河系中心超大质量致密天体的发现。

黑洞研究的基础

提到黑洞,阿尔伯特·爱因斯坦这位伟人当然不会缺席。

爱因斯坦于年完成广义相对论。广义相对论是用来解释引力的----即有质量的物质,会让时空弯曲。这种弯曲,影响到其他物体的运行,造成了有引力的样子。

美国物理学家惠勒,对广义相对论最简单经典的概括

我们用牛顿力学来理解,地球绕着太阳转是因为太阳有巨大的引力,吸引着地球。

而用广义相对论来理解,就是太阳太沉了,把时空压出来个坑,地球顺着坑滚过去了。

而黑洞,由于它的质量足够大,其所产生的扭曲足够将周围的物质源源不断地吸入黑洞,甚至连光线都无法逃脱。

广义相对论中引力被描述为时空的一种几何属性(曲率),而时空的曲率则通过爱因斯坦场方程和处于其中的物质及辐射的能量与动量联系在一起。它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出。史瓦西根据理论场方程推出的史瓦西解,这个解说是一个奇点,密度无限大。

由于奇点可能是理想中的情况,是在一个高度对称的情况下的结果,广义相对论的场方程十分难解,所以人们确实会先考虑一些对称的情况。

可是宇宙中并不存在完美对称的恒星。因而奇点是否存在也成了科学家的探索方向。

彭罗斯

彭罗斯和霍金经过严格复杂的数学计算得出奇点定理,奇点定理是指即便在很宽泛的条件下,大质量的恒星不需要完美的对称,在坍缩的过程中,这种不对称性会被逐渐地消除,最终必定会坍缩成一个奇点(早期的科学家认为黑洞的形成需要非常严格的条件,恒星所有的物质必须要在同一时间内均匀地压缩到一个极小的范围之内,这样就要求恒星需要完美的对称性)。

这个理论的现实意义是很巨大的,这说明了我们这个宇宙的的确确存在着形成黑洞的客观条件。

根泽尔与盖兹

接着,我们再说一下另外两位获奖者。

大家都知道黑洞它是完全不发光的,即便是存在霍金辐射,但是霍金辐射太微弱了,以现在的技术能力,我们是根本没有可能检测到的,所以我们是没有办法直接看到黑洞,我们只能通过观测那些只有黑洞才能解释的现象来证实黑洞的存在,而历史上第一份最强有力的证据就是本次诺奖得主根泽尔和盖兹发现的。他们在银河系中心发现了一些不同寻常的现象。

根泽尔在亚毫米波和红外线天文学方面有很大的贡献,他带领的团队观察到有一些恒星在绕着银河中心很小的一块区域疯狂绕圈,但在他们的中间却空无一物。根据周围恒星的绕行轨迹可以计算出中心天体的质量,他们发现银河系中心那个看不到的天体的质量竟然达到了惊人的多万倍的太阳质量。

盖兹在红外线天文观测以及自适应光学方面都有贡献。在根泽尔的基础上,盖兹有办法抵消地球大气层对观测的干扰,进而把观测精度大大地推进一步。经过她多年的数据积累,再根据周围的恒星轨道,对这个天体的尺寸进行了估算。她估算这个天体的平面大小大约相当于天王星绕着太阳画出来的圆的大小,相对于它的质量来说,这个大小是很小的。虽然这个天体与我们定义的黑洞性质很相似,但是宇宙还有很多未解之谜,所以发现的这个天体我们并不能立即断定它就是黑洞。

Part03

Ending

关于黑洞的研究,人类还在努力中。

年诺贝尔物理学奖的颁发也将激励下一代宇宙探险家。

宇宙的奥秘等着我们去探索!

相关知识:

霍金辐射




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