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解:星体到黑洞的距离r=60亿千米=6X10^12m,星体速度V=2000km\s=2X10^6m/S
设黑洞质量为M,半径为R
(1)黑洞对星体的引力提供向心加速度
GM/r?=v?/r
解得GM=v?r (1)
(2)用类比的方法求黑洞表面物体的逃逸速度。(因为高中不学第二宇宙速度的推导,只能用类比法。)
地球上第一宇宙速度为7.8km/s,逃逸速度为11.2km/s。逃逸速度是第一宇宙速度的√2倍。
黑洞上第一宇宙速度为√(GM/R),则黑洞上逃逸速度为√(2GM/R),
(3)设以光速运动的物体刚好不能逃逸,则√(2GM/R)=c,即 2GM/R=c? (2)
(1)式代入 (2)式得2v?r/R=c?
于是得黑洞半径r=2(v?/c?)r=2X(2X10^6/3X10^8)?X60亿千米
=(8/9)X10^8m
答:黑洞的半径约为(8/9)X10^8m,近似等于1万千米。
黑洞里面是什么?
黑洞之所以叫黑洞就是因为他的逃逸速度大于光速 导致自身发出的光又被自己强大的引力束缚注 虽然黑洞并未被最终证实,但X射线是黑洞周围的物质发射这种说法还是有科学依据的。
根据科学家计算,一个物体要有每秒中七点九公里的速度,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。可是对于别的天体来说,从它们的表面上逃脱出去所需要的速度就不一定也是这么大了。一个天体的质量越是大,半径越是小,要摆脱它的引力就越困难,从它上面逃脱所需要的速度也就越大.
按照这个道理,我们就可以这样来想:可能有这么一种天体,它的质量很大,而半径又很小,使得从它上面逃脱的速度达到了光的速度那么大。也就是说,这个天体的引力强极了,连每秒钟三十万公里的光都被它的引力拉住,跑不出来了。既然这个天体的光跑不出来,我们然谈就看不见它,所以它就是黑的了。光是宇宙中跑得最快的,任何物质运动的速度都不可能超过光速.既然光不能从这种天体上跑出来,当然任何别的物质也就休想跑出来.一切东西只要被吸了进去,就不能再出来,就象掉进了无底洞,这样一种天体,人们就把它叫做黑洞.
我们知道,太阳现在的半径是七十万公里。假如它变成一个黑洞,半径就的大大缩小.缩到多少?只能有三公里.地球就更可怜了,它现在半径是六千多公里.假如变成黑洞,半径就的缩小到只有几毫米.那里会有这么大的压缩机,能把太阳 地球缩小的这么!这简直象<天方夜谭>里的神话故事,黑洞这东西实在太离奇古怪了。但是,上面说的这些可不是凭空想象出来的,而是根据严格的科学理论的出来的.原来,黑洞也是由晚年的恒星变成的,象质量比较小的恒星,到了晚年,会变成白矮星;质量比较大的会形成中子星.现在我们再加一句,质量更大的恒星,到了晚年,最后就会变成黑洞.所以,总结起来说,白矮星 中子星和黑洞,就是晚年恒星的三种变化结果.
由于黑洞的密度极大,根据公式我们可以知道密度=质量/体积,为了让黑洞密度无限大,那就说明黑洞的体积要无限小,然后质量要无限大,这样才能成为黑洞。黑洞是由一些恒星“灭亡”后所形成的死星,他的质量很大,体积很小。但是问题就产生了,黑洞会一直存在吗?答案是错误的,黑洞也有灭亡的那天,由于黑洞无限吸引,但是总会有质子逃脱黑洞的束缚,这样日积月累,黑洞就慢慢的蒸发,到了最后就成为了白矮星,或者就爆炸,它爆炸所产生的冲击波足以让地球毁灭1万次以上。科学家经常用天文望远镜观看黑洞爆炸的画面。它爆炸所形成的尘埃是形成恒星的必要物质,这样就能初步解决太阳系形成的答案了。
落向黑洞的物质(包括光)尽管一去不回,但是落向黑洞的气体,在到达黑洞看不见之前,会一直绕着黑洞在轨道上旋转最终形成气盘。气盘中相近各层之间的气体由于相当剧烈的摩擦生热,最后导致发射X射线。这X射线也正是气体进入黑洞前的最后踪迹。但是,气体落向中子星或者白矮星时也同样会放出X射线。怎么办呢?那必须得进一步考察X射线源的质量。如果它的质量超过太阳质量的2倍,就有可能是黑洞。天鹅X~1也正是这样一个候选者,并且这颗X双星看不见的伴星的质量已经超过了6个太阳质量。黑洞,尤其是星系级大黑洞的超大引力,可以使来自远方的星光发生偏折从而产生巨大“引力透镜”效应,从而使位于它后面的天体逐渐放大或变化,于是形成了探测黑洞的另一途径----X射线源辨认法。
为了研究太空中看不见的光线,美国宇航局研制出可以发射高能的天文观察系统。在其发回的X射线宇宙照片当中,天文学家发现了让人吃惊的一幕:那些人们认为已经湮灭了的星体依然放射出比太阳更为强烈的宇宙射线。这证明了长久以来人们的一个大胆设想:宇宙中确实存在着看不见的“黑洞”。
牛顿的万有引力定律认为,地球和宇宙间的一切天体,都具有强大的相互吸引力,它们能牢牢地吸引附近的一切物体。比如地球的引力吸引着地表的物质使之不能随意地飞离地球;人类如果想把人造卫星送上围绕地球运行的轨道,至少要使发射火箭达到8千米每秒的速度。要不然,因为地球的引力,人造卫星就会被拉回地面了,这个8千米每秒的速度又称为第一宇宙速度。
然后,我们也可以很容易推出,宇宙飞船如果想要脱离地球轨道就得有11千米每秒的速度。那么,人们就推想了:有没有可能在宇宙中有这样一些天体,它们的表面脱离速度能超过30万千米每秒,比光速还要快?
1798年,法国天文学家拉普拉斯从牛顿力学出发,预言了宇宙中可能存在引力如此之大的大天体。他认为“宇宙中最明亮的天体,很可能我们根本就看不见它”。他大胆地假设说,如果有一个天体的密度或质量很大,达到了一个限度,这时它很可能是不可见的。拉普拉斯的假说其实就是早期的黑洞理论了。
近代,随着爱因斯坦发表的广义相对论,科学家们从牛顿力学和广义相对论出发,得出了跟拉普拉斯的假说一样的结论,就是黑洞的存在。依据牛顿的万有引力理论,科学家得出,一个球形的天,一旦它的质量超过太阳质量的2倍,就可能引发“引力崩溃”。也就是说,它可能会向自己的中心引力坍缩,成为一个体积无限小、质量无限大的质点。依据爱因斯坦的广义相对论,德国科学家史瓦西计算出一个可能具备了无穷大吸引力的天体半径。他进一步阐述,一个天体一旦半径达到了这个大小,就很可能有无限大的引力,任何物质都不能从它那儿逃脱出来,只能被它吸引进去。即便光线速度极快,也逃不出来。这个有能力把一切吸引进去的地方,人们无法看到它,因而称之为黑洞。
这样,黑洞理论就基本形成了。后来科学家们更进一步推算黑洞的边界即视界是封闭的,但是这个边界的封闭也是相对的,就是物质只能进不能出。
黑洞的存在理论上已经证明了。那黑洞的内部情况是如何的呢?由于目前对黑洞还没有直接的观测数据,科学家们只能从理论上推测。假如有一位无畏的科学家驾驶飞船向黑洞飞去,他最先感到的是巨大的吸引力。他要是从窗口望出去,就会看到一个平底锅似的圆盘在周围星光衬托下很显眼。走得更近,远方似乎有“地平线”,发出X射线,那似乎深不见底的黑洞便是被这“地平线”包围着。光线在黑洞附近变形,成为一个光环。宇航员这时要返航已是不可能的了,双脚受到的巨大引力使得他向黑洞中心飞去。他如同坐在刑台上,头和脚之间出现巨大的引力差,这巨大的引力差早在距“地平线”4800千米之外的地方就把他撕碎了。
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