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天体物理学课件10黑洞(4)

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黑洞的定义
• 黑洞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。
• 黑洞是由一 个质量相当大的天体，在核能耗尽死亡后发生引力塌缩后形成。
第1页/共1过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩，发生强力爆炸。 当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下，由于 恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下 来的是一个密度高到难以想象的物质。任何靠近它的物体都会被它吸进去，黑洞就变得像真空吸尘器一 样．
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黑洞的特性
• 黑洞其实也是个星球(类似星球),只不过它的密度非常非常大, 靠 近它的物体都被它的引力所约束(就好像人在地球上没有飞走一 样),不管用多大的速度都无法脱离。对于地球来说，以第二宇宙 速度（11.2km/s）来飞行就可以逃离地球，但是对于黑洞来说， 它的第二宇宙速度之大，竟然超越了光速，所以连光都跑不出 来，于是射进去的光没有反射回来，我们的眼睛就看不到任何 东西，只是黑色一片。
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•超大质量黑洞的旋转速度接近 光速
•黑洞的喷射力和吸积率非常巨
大，一个黑洞每月从周围环境
中吞噬掉的物质的质量是地球
的10倍，它每秒钟喷射出的能
量是太阳一年散发出的总能量
的50倍
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黑 洞 吸 积 盘
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黑 洞 喷 发 高 能 粒 子 束
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黑洞PPT课件

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-
3
专家研究
• 黑洞等离子体 ：德国在实验室制造出黑洞 等离子体
• 美国制成“人造黑洞” • 欧洲：“人造黑洞” • 中国科学家造出第一个：“人造电磁黑洞”
-
4
了解
• 2011年12月，一个国际研究小组利用欧洲南方天 文台的“甚大望远镜”， 星云正接近银河中央黑 洞发现一个星云正在靠近位于银河系中央的黑洞 并将被其吞噬。
关于黑洞
见见黑洞
黑洞简介
• 概念：黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不
能逃脱。当恒星的半径小到一定程度时，就连垂 直表面发射的光都无法逃逸了。这时恒星就变成 了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底 洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃 出。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直 接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天 体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。 黑洞引申义为无法摆脱的境遇。2011年12月，天 文学家首次观测到黑洞“捕捉”星云的过程
• 量大小不一，质量从相当于100万个到
• 100亿个太阳的质量不等。而黑洞每隔
• 一亿年才会吞噬一颗恒星，因此科学
• 家认为，这个黑洞比预计的质量更大。
-
6
黑洞之最
• 最小
• 最小的黑洞仅是太阳质量的3.8倍，其直径 为24公里，仅比纽约曼哈顿岛大一些。尽 管这个被称为“XTE J1650-500”的黑洞 算是小个头，但它却是极具破坏性的“引 擎”。它与其它黑洞一样，从伴星那里偷 取气体，使自己升温，基于XTE J1650500黑洞的质量，它释放X射线的强度呈周 期性变化。天文学家通过观测这种微小的 变化，能够测量这颗黑洞的质量。
• 这是天文学家首次观测到黑洞“捕捉”星云的过程。 观测显示，这个星云的质量约是地球的3倍，它的 位置近年来逐渐靠近“人马座A星”黑洞。这个黑 洞的质量约是太阳的400万倍，是距离我们最近的 大型黑洞。

黑洞系列课件ppt

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黑洞与星系的形成
黑洞强大的引力可以影响其周围的星 体运动，这种运动状态又会对星系的 形成产生影响。
在宇宙演化过程中，超大质量黑洞的 存在有助于吸引周围物质，形成恒星 和行星等天体，进而形成完整的星系 。
黑洞与宇宙演化
黑洞作为宇宙中强大的引力源，对宇宙的整体演化具有重要 影响。
通过对黑洞的研究，科学家可以更深入地理解宇宙的起源、 演化和终极命运。
力透镜”现象。
03
时空曲率影响黑洞周围物质 的旋转速度和运动轨迹。
黑洞的热性质
尽管黑洞不发出可见 光，但它们会释放出 X射线和伽马射线等 辐射。
黑洞的热量与其质量 有关，质量越大，热 量越高。
黑洞的强大引力会导 致其内部物质加速旋 转和摩擦，产生热量 。
黑洞的辐射
黑洞会释放出能量辐射，这些辐 射来自黑洞内部的物质和能量。
理论突破
随着理论物理的发展，对 黑洞的本质和性质将有更 深入的理解。
多波段观测
未来将加强多波段、多角 度的观测，以更全面地揭 示黑洞的奥秘。
05
黑洞与科幻文学艺术
科幻文学中的黑洞描绘
科幻小说中的黑洞描绘
黑洞在科幻文学中通常被描述为吞噬一切物质的神秘天体，同时也被赋予了超 光速旅行、时空穿越等神奇的功能。
在电影中，黑洞往往作为一个重要的元素推动故事情节的发展，如《星际穿越》 中通过黑洞穿越到其他星系寻找适合人类生存的星球。
艺术中的黑洞创意
黑洞主题的艺术创作
艺术家们以黑洞为主题进行创作，通过 绘画、雕塑、装置艺术等形式展现黑洞 的神秘和壮丽。
VS
黑洞在音乐创作中的表现
音乐家们也尝试将黑洞的魅力融入到音乐 中，通过音乐表达对宇宙和生命的思考。

(精选幻灯片)黑洞ppt

(精选幻灯片)黑洞ppt

2020/2/4
13
问：为什么有粒子跑出？
霍金辐射
在“真空‘的宇宙中，根据海森堡测不准原理，会在瞬 间凭空产生一对正反虚粒子，然后瞬间消失，以符合 能量守恒。在黑洞视界之外也不例外。霍金推想，如 果在黑洞外产生的虚粒子对，其中一个被吸引进去， 而另一个逃逸的情况。如果是这样，那个逃逸的粒子 获得了能量，也不需要跟其相反的粒子湮灭，可以逃 逸到无限远。在外界看就像黑洞发射粒子一样。这个 猜想后来被证实，这种辐射被命名为霍金辐射。由于 它是向外带去能量，所以它是吸收了一部分黑洞的能 量，黑洞的质量也会渐渐变小，消失。
2020/2/4
15
Part.6 人造黑洞
欧洲大型强子对撞机（LargeHadronCollider，简称 LHC）被称为世界规模最庞大的科学工程，它将利用 高速粒子束相撞产生的巨大能量，重建“大爆炸”发 生后的宇宙形态。然而欧洲和美国的反对人士分别向 当地法院提出起诉，要求叫停或推迟这个项目，他们 的理由是，LHC能产生危险的粒子或者微型黑洞，从 而毁灭整个地球。
1796年，法国物理学家拉普拉斯曾预言：“一个质量如250 个太阳，而直径为地球的发光恒星，由于其引力的作用， 将不允许任何光线离开它。由于这个原因，宇宙中最大的 发光天体，却不会被我们看见”。拉普拉斯依据牛顿万有 引力定律，光由星体表面逃逸至无穷远得。
2020/2/4
4
现代物理中的黑洞理论建立在广义相对论的基础上。 由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到 黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影 响来间接观测或推测到它的存在。比如说，恒星在被 吸入黑洞时会在黑洞周围形成吸积气盘，盘中气体剧 烈摩擦，强烈发热，而发出X射线。借由对这类X射线 的观测，可以间接发现黑洞并对之进行研究。迄今为 止，黑洞的存在已被天文学界和物理学界的绝大多数 研究者所认同，天文界并不时提出于宇宙中观测发现 到已存在的黑洞。

黑洞 幻灯片PPT演示课件

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光速，所以连光都跑不出来，于是射进去
的光没有反射回来，我们的眼睛就看不到
任何东西，只是黑色一片。
14
对于黑洞的研究历史
• 历史上，第一个意识到一个致密天体密度可以 大到连光都无法逃逸的人是英国地理学家John Michell。他在1783年写给亨利·卡文迪什一封信 中提出这个想法的，他认为一个和太阳同等质量 的天体，如果半径只有3公里，那么这个天体是不 可见的，因为光无法逃离天体表面。1796年，法 国物理学家拉普拉斯曾预言：“一个质量如250 个太阳，而直径为地球的发光恒星，由于其引力 的作用，将不允许任何光线离开它。由于这个原 因，宇宙中最大的发光天体，却不会被我们看见 ”。
黑洞探索的成绩有助于增强社会的凝聚力有助于激励社会的进取精神有助于吸引年轻人的科学兴黑洞是理论物理中各种极限状态的典型代表其研究具有三大意义1理论物理的大统一理论解释宇宙万物的终极理论2哲学宗教意义3现实意义研究基本粒子衍生各种民用产品比如能源类讯息类等等黑洞blackhole是根据现代的广义相对论所预言的它很容易让人望文生义地想象成一个大黑窟窿其实不然
•
参考：《宇宙新视野》11
• 2、黑洞不让任何其边界以内的任何事物 被外界看见，这就是这种物体被称为“黑 洞”的缘故。我们无法通过光的反射来观 察它，只能通过受其影响的周围物体来间 接了解黑洞。虽然这么说，但黑洞还是有 它的边界，即“事件视界（视界）”．据 猜测，黑洞是死亡恒星的剩余物，是在特 殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的。另 外，黑洞必须是一颗质量大于钱德拉塞卡 极限的恒星演化到末期而形成的，质量小 于钱德拉塞卡极限（约为（3× 10的30次 方）公斤）的恒星是无法形成黑洞的。
7

黑洞对周围环境的影响
• 设想在弹簧床上放置一块质量非常大的石 头代表密度极大的黑洞。自然，石头将大 大地影响床面，不仅会使其弯曲下陷，还 可能使床面发生断裂。类似的情形同样可 以在宇宙中出现，若宇宙存在黑洞，则该 处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的 破裂叫作时空的奇异或奇点。

黑洞面面观PPT课件

黑洞面面观PPT课件

.
11
第十一页，共五十七页。
恒星的形成
通常的恒星是万有引力效应将物 质聚集，同时恒星内部热核反应的大 量热能造成粒子剧烈运动形成排斥效 应，当这两种效应势均力敌时，恒星 维持平衡不会塌缩。
.
12
第十二页，共五十七页。
恒星的塌缩
随着热核反应能量逐渐耗尽，恒星 会慢慢冷却，吸引效应压倒排斥效应， 使恒星塌缩。原子的壳层被压碎，形 成原子核在电子海洋中漂浮状态。此 时电子间的斥力抵抗不住恒星自身引 力，恒星塌缩至高密度状态。
.
7
第七页，共五十七页。
附：第二宇宙速度
如果将地球质量和半径的数值 代入，便是通常所谓的“第二宇宙 速度”。它是从地球表面将一个物 体发射到地球引力场以外所具有的 最低限度的速度。
.
8
第八页，共五十七页。
黑洞（black hole）
直到1915年爱因斯坦提出广义相对论之前， 一直没有关于引力如何影响光的协调的理论。 又过了很长时间，这个黑洞的模型才被理解。 在没有任何观测到的实际证据证明其理论是正 确的情形下，作为数学模型的黑洞理论已经被 发展到非常详尽的地步。
按黑洞本身的物理特性划分
.
25
第二十五页，共五十七页。
暗能量黑洞
暗能量黑洞主要由高速旋转的巨大的暗能量 组成，它内部没有巨大的质量。巨大的暗能 量以接近光速的速度旋转，其内部产生巨大 的负压以吞噬物体，从而形成黑洞。暗能量 黑洞的体积很大，可以有太阳系那般大。暗 能量黑洞是星系形成的基础，也是星团、星 系团形成的基础。
从上式中不难看出，质量越大、半径越小 的球体，其逃逸速度越大，如果令球体半径
R＜
则有 v逃＞c
这意味着什么呢？如果假定光也同一般物体一

黑洞PPT

一个大黑窟窿吗？ • 2.黑洞是不是晚年的恒星变成
的？ • 3.人类确认的第一个黑洞叫什 么？
解决方法
• 1.查看书籍。 • 2.上网查资料 • 3.向老师或同学请教方法。
问题解决
• 1.黑洞类似于大窟窿，因为它是一个无 底洞。 • 2.黑洞很有可能是恒星演化到晚期的产 物。 • 3.人类确认的第一个黑洞叫：“天鹅座 X-1”是1965年被发现的。是因为，科 学家在天鹅座发现，X射线源，所以被 命名为：“天鹅座X-1”。
黑洞
• 等恒星的半径小到 一特定值（天文学 上叫“史瓦西半 径”）时，就连垂 直表面发射的光都 被捕获了。到这时， 恒星就变成了黑洞。 说它“黑”，是指 它就像宇宙中的无 底洞，任何物质一 旦掉进去，“似乎” 就再不能逃出。实 际上黑洞真正是 “隐形”的，等一 会儿我们会讲到。
•
黑洞”很容易让人望 文生义地想象成一个“大 黑窟窿”，其实不然。所 谓“黑洞”，就是这样一 种天体：它的引力场是如 此之强，就连光也不能逃 脱出来。 根据广义相对论，引 力场将使时空弯曲。当恒 星的体积很大时，它的引 力场对时空几乎没什么影 响，从恒星表面上某一点 发的光可以朝任何方向沿 直线射出。而恒星的半径 越小，它对周围的时空弯 曲作用就越大，朝某些角 度发出的光就将沿弯曲空 间返回恒星表面。

小学天文课——黑洞PPT课件

神秘的黑洞
-
1
课题提出的背景
探索是人类天然的兴趣，飞行是人类天然的爱好。 任何有关宇宙和探索的话题都能引起整个社会的巨大兴 趣。黑洞探索的成绩有助于增强社会的凝聚力，有助于 激励社会的进取精神，有助于吸引小学生对科学的兴趣。
-
2
-3ຫໍສະໝຸດ -4什么是黑洞？
-
5
一、黑洞的概念
黑洞（Black hole）是现代广义相对论中，宇宙空间内存 在的一种密度极大体积极小的天体。
-
6
奇妙之旅：
黑：表明它不会向外界发射或反射任何光线
洞：是任何东西只要一进入它的边界，就会被它吸进去，就 别 想“爬”出来，连跑的最快的光也逃脱不掉，它就像一个真 正的“无底洞”
-
7
恒星周围的气体或气体云被黑洞吞噬时被加热到很高
温度，散发出强- 烈的X射线
8
电脑模拟黑洞吞噬- 地球
9
黑洞不是一个“黑窟窿”，而是一个非常神秘 的天体：
就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就
诞生了。
-
12
黑洞的扭曲作用：
-
13
吸积 蒸发 毁灭
-
演 化 过 程 ：
14
1、吸积
黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称 为吸积。“吸积”这个词来描述物质向中央引力体或者是中央延展物质系统的流 动。
-
15
2、蒸发
每个黑洞都有一定的温度，温度的高 低与黑洞的质量成反比例。也就是说， 大黑洞温度低，蒸发也微弱；小黑洞的 温度高蒸发也强烈，类似剧烈的爆发。
1、不旋转不带电荷的黑洞 2、不旋转带电黑洞 3、旋转不带电黑洞 4、一般黑洞 5、双星黑洞
-

[实用参考]黑洞.ppt


R sh
sh
C2
可算：
太阳M⊙≈2×1033克, Rsh≈3km, ρ≈1016克/cm3
5
黑洞：黑洞是时空中这样的一个区域，任何物质一旦 进入该区域，便永远不能出来。
黑洞是一种看不见的异常天体；60年代以后，成为 天文上最具诱惑力的搜索对象。与一切可见天体相 比，黑洞正是最强的引力场源，能使邻近处时空弯 曲得相当厉害，以致把任何东西都裹卷其内，甚至 光线也不能幸免。
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
牛顿黑洞
（1）第一宇宙速度：
mv 2 R

GMm R2
v 7.9km/ s
（2）第二宇宙速度： 1 mv2 GMm v 11.2km/ s
2
R
（3）牛顿黑洞： v 2GM / R c
发后，剩余部分的质量一般仍要超过太阳质量的2倍以
上。这部分物质自身引力非常强大，从而发生急剧坍缩
的压力，但在如此强大的引力面前，无异于螳臂挡车。
随着坍缩加剧，分子、原子乃至原子核都会被挤破，最
终形成极高密度的引力中心。
9
黑洞既然看不见、摸不着，天文学家又是怎样发现和 观察它的呢？这主要是通过黑洞区强大的X射线源进行 探索的。黑洞本身虽然不能发出任何光线，但它对于 周围物体、天体的巨大引力依然存在。当周围物质被 它强大的引力所吸引而逐渐向黑洞坠落时，就会发射 出强大的X射线，形成太空中的X射线源。通过对X射线 源的搜索观测，人们可找到黑洞的踪迹。
更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接 到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞 的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗 恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！

黑洞简介ppt


E mc
表明，能量的损失会导致质量的损失。 当黑洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高。这样， 当黑洞损失质量时，它的温度和发射率增加，因而它的质量损失 得更快。这种“霍金辐射”对大多数黑洞来说可以忽略不计，因 为大黑洞辐射的比较慢，而小黑洞则以极高的速度辐射能量，直
旋转黑洞
1.根据黑洞的质量的大小，大体可以将黑洞分为如下三类： 微黑洞：大小相当于原子尺度，为10-8厘米，质量像座大山的黑
谢 谢 观 看 ！
制作人 ：卓越电子1201刘京超 胡永泉
蒸发过程黑洞喷射物不断变亮
3、毁灭
黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸。 假设一对粒子会在任何时刻、任何地点被创生，被创生的粒 子就是正粒子与反粒子，而如果这一创生过程发生在黑洞附近的 话就会有两种情况发生：两粒子湮灭、一个粒子被吸入黑洞。 “一个粒子被吸入黑洞”这一情况：在黑洞附近创生的一对粒子 其中一个反粒子会被吸入黑洞，而正粒子会逃逸，由于能量不能 凭空创生，我们设反粒子携带负能量，正粒子携带正能量，而反 粒子的所有运动过程可以视为是一个正粒子的为之相反的运动过 程，如一个反粒子被吸入黑洞可视为一个正粒子从黑洞逃逸。 这一情况就是一个携带着从黑洞里来的正能量的粒子逃逸了， 即黑洞的总能量少了，而爱因斯坦的公式 2
证据一
黑洞是一类引力极大的天体，进入黑洞视界（史瓦西 半径）的一切物体都无法逃出，包括光（电磁波）。黑洞 对于视界外的天体也有引力作用，速度不够快的天体会在 引力作用下落入视界内。这些被吸进的物质就会形成可观 测得吸积盘。吸积盘通常在在黑洞的赤道平面，这源于黑 洞自转产生的离心效应（可与地球、太阳等天体对比。地 球、太阳等天体在自转产生的离心效应的影响下呈现略扁 的形状）。 科学家已观测到一些恒星的异常运动，就好像受到另 一大质量天体的吸引一样，少部分更产生吸积盘的效应， 通常这只发生在双星系统中。然而这些被观测的天体并没 有发现存在伴星（双星系统中的两颗恒星互为伴星），经 推测，这很可能是因为伴星为黑洞。
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第九章 黑洞
§9.1 相对论简介 §9.2 Schwarzschild 黑洞 §9.3 其他类型的黑洞，黑洞转动能的提取 §9.4 黑洞的量子效应 §9.5 黑洞的观察证认
2020/7/7
2020/7/7Байду номын сангаас
2020/7/7
2020/7/7
2020/7/7
2020/7/7
1915年，Einstein发表广义相对论 (general relativity)
• MOpt > 9M⊙ →MBH > 2.9M⊙ • 光谱拟合
→MOpt =17.8M⊙, MBH =10.1M⊙ →Cygnus X-1必定是黑洞！
• 星系级黑洞
M~106- 109 M⊙ 通常位于星系核心
• Intermediate-Mass Black Holes?
Chandra X-ray Observatory has found new populations of suspected mid-mass black holes in several starburst galaxies, where stars form and explode at an unusually high rate.
物质 引力源 时空弯曲 (curved space)
引力场强弱 时空弯曲程度
例如：地球绕太阳运转可以认为是它沿着太阳周围四维时
空中的测地线运动。
• 黑洞周围的时空弯曲程度最大
• 引力半径（gravitational radius）
在引力半径Rg内的光子无法逃逸。 对Schwarzschild黑洞（不转黑洞），Rg = Rs （Schwarzschild半径） 12m2cGRsM mRs 2G c2 M= 3 km (M/M⊙)
天体的致密程度可以用Rs /R表示。
天体 太阳 白矮星 中子星
Rs /R 10-5.4 10-4
10-1
黑洞 1
• 在越致密的天体附近，光线弯曲的程度越大。
2. Schwarzschild黑洞的基本性质
2020/7/7
• 时间延迟 在黑洞附近的时钟比远处的时钟走得慢。 在视界处的时钟看上去完全停止。
Each flash takes longer to arrive, and is redder and fainter than the one before it.
Near the Event Horizon...
Jack Sees:
Jill Sees:
Laser flashes blue every second by Laser flashes come ~1 hour
Never sees the next flash…
2020/7/7
2020/7/7
2020/7/7
3. Kerr 时空
2020/7/7
2020/7/7
4. 黑洞的量子效应
2020/7/7
2020/7/7
2020/7/7
2020/7/7
2020/7/7
黑洞的蒸发的总结
真空 正负(虚)粒子对 负粒子被吸收 → 黑洞质量减小 正粒子逃逸 → 带走能量 黑洞能损率→黑洞寿命 t E M3
dE/dt
当M=1 M⊙, t＝1067 yr； 当M=1015 g, t＝1010 yr （小黑洞已经蒸发）
5. 黑洞的观测证据
• 恒星级黑洞 途径：搜寻质量超过中子星质量上限（~2-3 M⊙） 的致密星。 确定致密天体性质：X射线辐射、时变 确定致密天体质量：双星轨道运动 X射线双星
黑洞候选天体Cygnus X-1
From Jack's point of view:
Sees the ship getting further away.
Flashes the laser every second by his watch.
Sees a blue beam leave the 2020/7l/7aser.
From Jill's point of view:
Universe vanishes as he crosses the horizon
Gets shredded by strong tides near the singularity and crushed to2i0n20f/7i/n7 ite density.
Sees one last laser flash after a long delay; flash is faint and at long radio wavelengths
• 强X射线源 • X射线辐射光变时标~1 ms
→ 辐射天体尺度 <108 cm →中子星或黑洞
• 光学伴星HDE226868
O9.7Iab型超巨星
• 光学观测
→轨道周期5.6天，光谱Doppler 位移
→视向速度曲线
→质量函数
Po2rK bGo3ptf(MX)M (1Xsqi)32ni=0.25M⊙
his watch
apart
The outside world looks distorted
Flashes are shifted to radio wavelengths and are getting fainter with each flash.
Down the hole...
Jack:
Jill: