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黑洞

黑洞(Black hole)是根据现代的广义相对论所预言的,在宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后,发生引力坍缩而形成。黑洞的质量是如此之大,它产生的引力场是如此之强,以致于任何物质和辐射都无法逃逸,就连光也逃逸不出来。由于类似热力学上完全不反射光线的黑体,故名为黑洞。在黑洞的周围,是一个无法侦测的事件视界,标志着无法返回的临界点。

Part.1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”。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。

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。

Part.2黑洞的结构特性

目前公认的理论认为,黑洞只有三个物理量可以测量到:质量、电荷、角动量。也就是说:对于一个黑洞,一旦这三个物理量确定下来了,这个黑洞的特性也就唯一地确定了,这称为黑洞的无毛定理,或称作黑洞的唯一性定理。但是这个定理却只是限制了经典理论,没有否认可能有其他量子荷的存在,所以黑洞可以和大域单极或是宇宙弦共同存在,而带有大域量子荷。黑洞具有潮汐力,越小的黑洞潮汐力越大,反之,越大的黑洞潮汐力越小,旋转的黑洞有内视界和外视界,并会有一个奇异环,一切越过视界的东西最终都会落向奇点,越大的黑洞从视界到奇点所花的时间越长。
质量达太阳10倍的黑洞之电脑模拟图

质量和尺寸

当大质量天体演化末期,其坍缩核心的质量超过太阳质量的3.2倍时,由于没有能够对抗引力的斥力,核心坍塌将无限进行下去,从而形成黑洞。(核心小于1.4个太阳质量的,会变成白矮星;介于两者之间的,形成中子星)。在绝大部分星系的中心,包括银河系,都存在超大质量黑洞,它们的质量从数百万个直到数百亿个太阳。

爱因斯坦的广义相对论预测有黑洞解。其中最简单的球对称解为史瓦西度规。这是由卡尔·史瓦西于1915年发现的爱因斯坦方程的解。

根据史瓦西解,如果一个引力天体的半径小于一个特定值,天体将会发生坍塌,这个半径就叫做史瓦西半径。在这个半径以下的天体,其中的时空严重弯曲,从而使其发射的所有射线,无论是来自什么方向的,都将被吸引入这个天体的中心。因为相对论指出在任何惯性座标中,物质的速率都不可能超越真空中的光速,在史瓦西半径以下的天体的任何物质,都将塌陷于中心部分。一个有理论上无限密度组成的点组成引力奇点(gravitational singularity)。由于在史瓦西半径内连光线都不能逃出黑洞,所以一个典型的黑洞确实是绝对“黑”的。

史瓦西半径由下面式子给出:

G是万有引力常数,M是天体的质量,c是光速。对于一个与地球质量相等的天体,其史瓦西半径仅有9毫米。

温度

就辐射谱而言,黑洞与有温度的物体完全一样,而黑洞所对应的温度,则正比于黑洞视界的引力强度。换句话说,黑洞的温度取决于它的大小。

若黑洞只比太阳的几倍重,它的温度大约只比绝对零度高出亿分之一度,而更大的黑洞温度更低。因此这类黑洞所发出的量子辐射,一律会被大爆炸所留下的2.7K辐射(宇宙背景辐射)完全淹没。

事件视界

事件视界又称为黑洞的视界,事件视界以外的观察者无法利用任何物理方法获得事件视界以内的任何事件的资讯,或者受到事件视界以内事件的影响。事件视界是造成黑洞所以被称为黑洞的根本原因,不过实际的观测还没有发现事件视界。

光子球

光子球是个零厚度的球状边界。在此边界所在位置上,黑洞的引力所造成的重力加速度,刚好使得部份光子以圆形轨道围着黑洞旋转。对于非旋转的黑洞来说,光子球大约是史瓦西半径的一点五倍。这个轨道不是稳定的,随时会因为黑洞的成长而变动。

光子球之内光子依然有可能因素可以脱离, 但是对于外部的观察者来说,任何观察到由黑洞发出的光子,都必须处于事件视界与光子球之间。这也是反对黑洞存在的人所依据的强烈反对事实之一,透过观察光子球的光子能量,无法找到事件视界存在的证据。

其他的致密星如中子星、夸克星等也可能会有光子球。

参考系拖曳圈

参考系拖曳圈(Ergosphere,又称Frame Dragging或是Lense Thirring Effect,“兰斯-蒂林效应圈”),转动状态的质量会对其周围的时空产生拖拽的现象,这种现象被称作参考系拖拽。旋转黑洞才有参考系拖曳圈,也就是黑洞南北极与赤道在时空效应上有所不同,这会产生一些奇妙的效应来让我们有机会断定其实实在在是一颗黑洞的特征之一。

观测者可以利用光圈效应及参考系拖曳圈,观测进入或脱离黑洞的光子的运动,透过间接的手段,例如粒子含量的分布及Penrose Process(旋转黑洞的能量拉出过程),来间接了解其引力的分布,透过引力的分布重新建立出其参考系拖曳圈。这种观测方式,只有双星以上的系统才能够进行这样的观测。

时间场异常

黑洞周围由于引力强大的因素,理论预期会发生时间场异常现象,这包含了周围的参考系拖曳圈及事件视界效应。

此外,由于时间物理学尚未发展,时间意义失效的区域,目前物理学还无能力进行探讨。

黑洞合并

黑洞的合并会发射强大的引力波,新的黑洞会因后座力脱离原本在星系核心的位置。如果速度足够大,它甚至有可能脱离星系母体。

Part.3黑洞的分类

按质量分

超巨质量黑洞:可以在所有已知星系中心发现其踪迹。质量据说是太阳的数百万至十数亿倍。

小质量黑洞:质量为太阳质量的10至20倍,即超新星爆炸以后所留下的核心质量是太阳的3至15倍就会形成黑洞。

理论预测,当质量为太阳的40倍以上,可不经超新星爆炸过程而形成黑洞。

中型黑洞:推论是由小质量黑洞合并形成,最后则变成超巨质量黑洞。中型黑洞是否真实存在仍然存疑。

根据物理特性分

根据黑洞本身的物理特性(质量、电荷、角动量):

不旋转不带电荷的黑洞。它的时空结构于1916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1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。

旋转不带电黑洞,称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。

一般黑洞,称克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。

原初黑洞

原初黑洞是理论预言的一类黑洞,尚无直接证据支持原初黑洞的存在。宇宙大爆炸初期,宇宙早期膨胀之前,某些区域密度非常大,以至于宇宙膨胀后这些区域的密度仍然大到可以形成黑洞,这类黑洞叫做原初黑洞。原初黑洞的质量与密度不均匀处的尺度有关,因此原初黑洞的质量可以小于恒星坍塌生成的黑洞,根据霍金的理论,黑洞质量越小,蒸发越快。质量非常小的原初黑洞可能已经蒸发或即将蒸发,而恒星坍塌形成的黑洞的蒸发时标一般长于宇宙时间。天文学家期待能观测到某些原初黑洞最终蒸时发出的高能伽玛射线。

Part.4黑洞的演化过程

黑洞拉伸,撕裂并吞噬恒星

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。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。目前观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时,它们产生的辐射对黑洞的自转以及视界的存在极为敏感。

对吸积黑洞光度和光谱的分析为旋转黑洞和视界的存在提供了强有力的证据。数值模拟也显示吸积黑洞经常出现相对论喷流也部分是由黑洞的自转所驱动的。

  

天体物理学家用“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。吸积是天体物理中最普遍的过程之一,而且也正是因为吸积才形成了我们周围许多常见的结构。在宇宙早期,当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成了星系。即使到了今天,恒星依然是由气体云在其自身引力作用下坍缩碎裂,进而通过吸积周围气体而形成的。行星(包括地球)也是在新形成的恒星周围通过气体和岩石的聚集而形成的。当中央天体是一个黑洞时,吸积就会展现出它最为壮观的一面。黑洞除了吸积物质之外,还通过霍金蒸发过程向外辐射粒子。

蒸发

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,它的质量极大,体积极小。但黑洞也有灭亡的那天,按照霍金的理论,在量子物理中,有一种名为“隧道效应”的现象,即一个粒子的场强分布虽然尽可能让能量低的地方较强,但即使在能量相当高的地方,场强仍会有分布,对于黑洞的边界来说,这就是一堵能量相当高的势垒,但粒子仍有可能出去。

黑洞的毁灭

毁灭

黑洞会发出耀眼的光芒,体积会缩小,甚至会爆炸。当英国物理学家史迪芬·霍金于1974年做此预言时,整个科学界为之震动。

  

霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃,他结合了广义相对论和量子理论。他发现黑洞周围的引力场释放出能量,同时消耗黑洞的能量和质量。

  

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E=mc^2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,直到黑洞的爆炸。

Part.5黑洞的科学观点

存在说

1967年,剑桥的一位研究生约瑟琳·贝尔发现了天空发射出无线电波的规则脉冲的物体,这对黑洞的存在的预言带来了进一步的鼓舞。在黑洞这个概念刚被提出的时候,共有两种光理论:一种是牛顿赞成的光的微粒说;另一种是光的波动说。

1783年,剑桥的学监约翰·米歇尔指出,一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场,以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光,还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示,可能存在大量这样的恒星,虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿而使我们不能看到它们,但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们现在称为黑洞的物体。它是名符其实的——在空间中的黑的空洞。几年之后,法国科学家拉普拉斯侯爵显然独自提出和米歇尔类似的观念。

否定说

在学术上不同观点认为宇宙中不存在黑洞,这需要进一步的证明。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。人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,既“事件视界”。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的恒星是无法形成黑洞的。

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。

2009年10月15 日,《科学》杂志宣布,世界上第一个“人造黑洞”在中国东南大学实验室里诞生。不过,这个小型“黑洞”不仅不会毁灭世界,还能帮助人们更好地吸收太阳能。

Part.7推荐资料

如果觉得本专题的资料还不够全面,以下推荐几个比较权威的网址,供大家参考。

百度百科“黑洞”词条:http://baike.baidu.com/view/863.htm

维基百科“黑洞”词条:http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%BB%91%E6%B4%9E

互动百科“黑洞”词条:http://www.hudong.com/wiki/%E9%BB%91%E6%B4%9E

新浪科技时代“黑洞”专题:http://tech.sina.com.cn/d/focus/BlackHoles/

凤凰百科“黑洞”词条:http://app.tech.ifeng.com/baike/index.php?name=%E9%BB%91%E6%B4%9E

搜搜百科“黑洞之谜”词条:http://baike.soso.com/v2027149.htm

结语

美国宇航局2010年11月15日发现地球附近有一个年仅30岁的黑洞,这也是人类科学史上发现的最年轻的黑洞。

这个最年轻的黑洞是天文学家利用美国宇航局的钱德拉X射线望远镜发现的,它为观测这类婴儿期天体提供了独一无二的机会。美国宇航局声称,这个黑洞将能够帮助科学家更好地理解大质量恒星是如何爆炸的,恒星爆炸后留下的是黑洞还是中子星,以及银河系和其他星系黑洞的数量。

这个30岁的黑洞是距离地球约5000万光年的M100星系中的超新星“SN1979C”的余烬。根据钱德拉X射线望远镜、美国雨燕卫星、欧洲宇航局牛顿X射线天文望远镜(XMM-Newton )以及德国伦琴卫星获得的数据显示一个明亮的X射线源,这个X射线源在1995年到2007年这段观测期内一直非常稳定,这表明这个天体是一个黑洞,它正在吞噬这颗超新星和伴星落下的物质。

这是唯一一个人类全程见证它形成的黑洞,也是超新星爆炸能够形成黑洞的唯一的直接证据。

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