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浅谈黑洞的分类与形成机制

学生：杨亚鹏 指导老师：孙艳军 2015届 物理学3班 学号：201172010345

摘要：黑洞是现代物理学和天文学中研究的一个热点。爱因斯坦的广义相对论认为，物质的存在会造成时空的弯曲，人们所说的万有引力就是时空弯曲的表现。在大质量天体存在之处，时空弯曲的非常厉害，它的几何性质会发生重要的变化。黑洞也是广义相对论预言的一种特殊的天体，其基本特征是有一个封闭的视界。任何东西，包括光在内，只要进入视界以内都会被吞噬掉。本文详细讨论了黑洞的概念、形成过程、种类和性质。

关键词：暗星；逃逸；黑洞；引力塌缩；视界半径

Abstract:Black hole is a hot spot in modern physical and astronomical research. Einstein's general relativity believe that the presence of substances can cause bending of space-time, which is the so called gravitation.In the presence of massive celestial place, the space-time is bent extremely, and important changes in its geometric properties will occur. A black hole is a special kind of celestial predictions of general relativity, with a closed horizon as its basic characteristics. Anything just going into the horizon, including light, will be swallowed. This thesis discusses the concepts , the process of the formation, the types and the characteristics of the Black hole.

Keywords:The dark star; Escape; Black hole; Gravitation Collapse; Horizon Radius

目 录

1、引言................................................................................................................................3 2、黑洞概念的引入............................................................................................................5 3、黑洞的形成机制............................................................................................................5

3.1、超大质量型黑洞.................................................................................................6 3.2、恒星型黑洞.........................................................................................................9 3.3、小型黑洞...........................................................................................................10 4、黑洞的分类..................................................................................................................11

4.1、史瓦西黑洞.......................................................................................................11 4.2、R-N黑洞 ...........................................................................................................12 4.3、克尔黑洞...........................................................................................................13 4.4、克尔-纽曼黑洞 .................................................................................................13 5、关于黑洞的一些简单性质..........................................................................................14

5.1、黑洞的“无毛定理”.......................................................................................14 5.2、黑洞的“面积不减定理”...............................................................................14 5.3、黑洞的霍金辐射...............................................................................................15 5.4、黑洞寿命与质量的关系...................................................................................15 6、总结展望......................................................................................................................15 参考文献............................................................................................................................17 致谢....................................................................................................................................18

1、引言

拉普拉斯在1796年写道:“在宇宙中有很多的暗物质，大小与恒星一般，或者更像明星，质量、密度数量也像恒星那般多，质量和密度也是及其之大”[1]。我们都知道质量越大恒星的吸引力越大，米歇尔和拉普拉斯根据牛顿力学和粒子性预测了暗星的存在。从爱因斯坦的广义相对论来讲，万有引力不是真正的力，而是时空弯曲的表现，我们地球上也会有时空弯曲，可是引力微乎其微。奥本海默认为，当某个时空弯曲的非常厉害的时候，光线将不能从那个区域逃离出来，我们从远方的观测来看，由于光线的弯曲，这颗恒星就会隐藏起来，这就成为了我们看不到的暗星了。当然当这个恒星质量非常非常大的时候，那么它的引力也必然是特别的大，使进入它的光线都难以逃出，而且连自身辐射的射线也逃不出来，这样我们也是观测不到它的。

如果我们从万有引力定律的角度去考虑的话。由万有引力定律可以知道，把一个物体从星球表面抛射到宇宙空间，需要有足够大的抛射速度。对于小质量的星体，这个速度不大。例如，对于火星的卫星火卫一，抛射速度只需5m/s。对于月亮，需要2.4km/s。对于地球或者密度更大的星球，物体从它表面逃离所需的速度就越大，当星球的密度大到一定程度，以至于逃离速度大于光速时，光子就不能再从星球表面逃离。它们会被星球的万有引力拉回去，远方的观测者也就不可能看见这颗星了。这样它也就成了我们所说的暗星了。

从牛顿力学的能量理论我们可以很容易的算出这类暗星的形成条件。设光子质量为m，光速为c，星球的质量和半径分别为M和r。按照牛顿理论，从星球表面射出的光子的能量Ep为

Ep?势能为

12mc (1) 2GMmEv? (2)

r

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