黑洞

[拼音]：heidong

[外文]：black hole

广义相对论所预言的一种特殊天体。它的基本特征是具有一个封闭的视界。视界就是黑洞的边界。外来的物质和辐射可以进入视界以内，而视界内的任何物质都不能跑到外面。

早在1798年，拉普拉斯曾根据牛顿引力理论预言存在一种类似于黑洞的天体。他的计算结果是，一个直径比太阳大250倍而密度与地球相当的恒星，其引力场足以捕获它所发出的所有光线，而成为暗天体。1939年，奥本海默等根据广义相对论证明，一个无压的尘埃球体，在自引力作用下，将能坍缩到它的引力半径的范围以内。引力半径rg=2GM/c2，式中G为万有引力常数，c为光速，M为球体的总质量。当物质球坍缩到半径为rg，这个球体所发射的光线或其他任何粒子，都不能逃到rg球以外，这就形成黑洞。对晚期致密恒星的研究证明，存在一临界质量Mc。当星体质量M>Mc，在引力坍缩后，它不可能有任何稳定的平衡态，而只能形成黑洞。

在形成黑洞以前的恒星物质可以有各种不同的属性。但是，一当形成稳定的黑洞以后，几乎所有属性都不再能被观测到。只要用三个参数就可以完全表征黑洞的性质。这三个参数是：质量M、角动量J和电荷Q。当J=Q=0时，是球对称的史瓦西黑洞；当Q=0时，是轴对称的克尔黑洞。黑洞的一个重要物理参量是它的视界的面积A，其值为（在c=G=1单位系）：

A=8π〔M2+M(M2－a2－Q2)1/2－Q2/2〕，式中a=J/M。A的基本性质是，在黑洞的演化过程（例如，通过与物质相互作用，或黑洞之间的相互作用）中，它的面积总不减少。这称为面积不减定理。它是物质只能进入黑洞而不能跑出黑洞这一特性的定量表述。面积不减定理，类似于热力学中的孤立系熵不减原理。因此，黑洞的面积相当于黑洞的熵。在这个基础上建立了黑洞热力学。黑洞热力学的一个结论是，黑洞具有一定的温度，其值与黑洞的质量成反比。1974年，霍金证明，如果考虑到黑洞周围空间中的量子涨落，则黑洞的确具有与它的温度相对应的热辐射。计及量子效应后，黑洞不再是完全“黑”的了，它也会发射，甚至出现剧烈的爆发（见黑洞的发射）。

寻找黑洞，是相对论天体物理学的重要课题。孤立的黑洞难于观测，因此，观测工作着重于在双星体系中证认黑洞。目前，认为最有可能是黑洞的天体，是天鹅座X-1。天鹅座X-1是密近双星中的一个星体。它所发射的X射线没有规则的脉冲结构，但却具有短时标的脉动涨落，脉动时标在几毫秒到10秒范围内；它的质量大于5.5太阳质量，大于致密星的临界质量。这些特征都符合黑洞的特性。另外，观测还表明，在椭圆星系 M87的核心，可能有质量为9×109太阳质量的大型黑洞。M87的特征是：在核心处有异常的亮度分布，颜色较蓝，弥散速度也较大。这些都与黑洞模型相符合。按照大爆炸宇宙学，在宇宙早期可能形成一些小质量黑洞，一个质量为1015克的黑洞，其空间尺度只有10-13厘米左右（相当于原子核的大小）。小黑洞的温度很高，有很强的发射。有一种模型认为，高能天体物理研究所发现的一些高能爆发过程，也许就是由这些小黑洞的发射及其最终的爆发引起的。

参考书目

林忠四郎编：《星の進化》，共立出版株式会社，東京，1978。H.L.Shipman， Black　Holes， Quasars， and the Universe， Houghton Mifflin Co.，Boston，1976.