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        宇宙黑洞的奧秘,你了解多少?

        宇宙黑洞的奧秘,你了解多少?

        2019-05-08 13:49:38  微科普
        本文作者:高明德

        2019-05-08 13:49:38
        作者:高明德
        來源:微科普
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        最近,“事件視界望遠鏡”(EHT)國際合作項目宣布:已成功獲得超大黑洞的第一個直接視覺證據;該黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞,它距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。這不僅首次驗證了愛因斯坦的廣義相對論,也開啟了直接觀測黑洞的序幕。美國物理學家阿維·勒布表示,黑洞研究即將迎來一個黃金時代。

         

        黑洞的研究簡史

        “黑洞”(black hole)一詞在1968年才由美國物理學家約翰·惠勒提出來,他在1999年出版的自傳《真子、黑洞和量子泡沫:物理生涯》中寫道:“空間可以像一張紙那樣坍縮至一個無限小的點,時間也可以像吹熄火苗那樣湮滅,而那些不可侵犯的、亙古不變的物理定律,也可以蕩然無存。”其實人類探索黑洞的歷史已有200多年,早在1783年,英國自然哲學家約翰·米歇爾就已經意識到:一個致密天體的密度可以大到連光都無法逃逸;這也是普通人在今天對于黑洞的最基本認識。1796年,法國科學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯在《宇宙體系論》一書中也指出了存在這種奇特天體的可能性。

        1915年, 美籍猶太裔物理學家阿爾伯特·愛因斯坦發表廣義相對論,最先預言了黑洞的存在;據廣義相對論,黑洞具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍,該勢力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。廣義相對論有一個最核心的方程,叫愛因斯坦引力場方程,而且此方程非常復雜;愛因斯坦本人也無法找到它的精確解。次年,德國物理學家卡爾·史瓦西解出了廣義相對論的第一個精確解:史瓦西解,也就是我們現在所知道的靜態、球對稱的史瓦西黑洞。他發現,任何具有質量的物體都存在一個臨界半徑(即“史瓦西半徑”);當一個恒星發生塌縮,收縮至史瓦西半徑后,這個恒星將在自身引力作用下最終變成黑洞。

        1919年發生日食期間,英國物理學家亞瑟·愛丁頓驗證了廣義相對論中提到的一個重要預言,即光線在大質量恒星附近通過時會出現彎曲。1939年,美籍猶太裔物理學家羅伯特·奧本海默根據廣義相對論證明了:一個無壓力的球體在自身的引力作用下坍縮到史瓦西半徑的時候,如果這時候球體的質量比臨界質量大,那么引力坍縮之后就不可能達到任何穩定的狀態,只能形成黑洞。1963年,新西蘭數學家羅伊•克爾發現了一個旋轉黑洞的精確解:克爾解,也就是除了質量外,還有角動量的克爾黑洞。1967年,英國物理學家約瑟琳·伯內爾發現了天空發射出無線電波的規則脈沖的物體,這對黑洞的存在的預言帶來了進一步的鼓舞。

        1974年,英國物理學家斯蒂芬·霍金通過量子力學的方法得出結論:黑洞不僅能夠吸收黑洞外的物質,同樣也能以熱輻射的方式向外“吐出”物質(即“霍金蒸發”)。他認為,黑洞發射粒子具有超越通常和量子力學相關的額外的不確定性或不可預言性;隨著黑洞發射粒子,它的質量和尺度就穩恒地減小,直到黑洞最終把自己發射殆盡。霍金于2015年對黑洞理論進行了修改,宣稱黑洞實際上是“灰色的”;新“灰洞”理論稱,物質和能量被黑洞困住一段時間后,又會被重新釋放到宇宙中。

        2015年,兩個美國探測器首次探測到了兩個黑洞合并的引力波信號,從而為黑洞的存在提供了第一個直接證據,即它們可以成對的形式存在,而這些成對存在的黑洞可以碰撞并合并,在這一過程中以引力波的形式釋放大量能量,從而使人類首次“聽”到了黑洞的“聲音”;對這項成果起到決定性作用的三位科學家在2017年獲得了諾貝爾物理學獎。2019年4月10日,EHT給出了人類首次拍到的黑洞圖像。可見黑洞是最具有挑戰性、也最讓人激動的天文學說之一,很值得人們關注和研究。

         

        黑洞的演化過程

        黑洞就是一個密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小的奇點和周圍一部分空空如也的天區,這個天區范圍之內不可見。依據廣義相對論,當一顆垂死恒星崩潰,它將聚集成一點,這里將成為黑洞,吞噬鄰近宇宙區域的所有光線和任何物質。黑洞通過事件視界的臨界面與宇宙劃清界限,視界之內的一切東西都不能夠逃出黑洞,包括光;在黑洞中心,我們所有的物理定律都會失效,該中心會釋放出高能的輻射束。可以說,黑洞形成的必要條件就是一個巨大的物體,集中在一個極小的范圍。

        黑洞的產生過程類似于中子星的產生過程;當恒星核心的質量大到使收縮過程無休止地進行下去時,中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末,剩下來的是一個密度高到難以想象的物質。由于高質量而產生的引力,使得任何靠近它的物體都會被黑洞吸進去。跟中子星一樣,黑洞也是由質量大于太陽質量好幾十甚至幾百倍以上的恒星演化而來的。

        當一顆恒星衰老時,它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料,由中心產生的能量已經不多了。這樣,它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下,核心開始坍縮,物質將不可阻擋地向著中心點進軍,直至成為一個體積趨于零、密度趨向無限大的“點”,黑洞由此而誕生。

        按組成來劃分,黑洞可以分為兩大類:一是暗能量黑洞,二是物理黑洞。如果以質量為參照,黑洞可以劃分為四類:比恒星質量小的黑洞,恒星級黑洞(質量與恒星相當或者是其幾倍),中等質量黑洞(恒星質量的上百或上萬倍),超大質量黑洞(恒星質量的上億倍)。有關專家認為,超大質量黑洞可能存在于每一個星系中,這也是星系維持穩定的原因。

         

        黑洞的表現形式

        與別的天體相比,黑洞十分特殊。人們無法直接觀察到它,科學家也只能對它內部結構提出各種猜想。而使得黑洞把自己隱藏起來的的原因即是彎曲的時空。根據廣義相對論,時空會在引力場作用下彎曲。這時候,光雖然仍然沿任意兩點間的最短光程傳播,但相對而言它已彎曲。在經過大密度的天體時,時空會彎曲,光也就偏離了原來的方向。

        在地球上,由于引力場作用很小,時空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周圍,時空的這種變形非常大。這樣,即使是被黑洞擋著的恒星發出的光,雖然有一部分會落入黑洞中消失,可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。觀察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一樣,這就是黑洞的“隱身術”。

        更有趣的是,有些恒星不僅是朝著地球發出的光能直接到達地球,它朝其它方向發射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”,還同時看到它的“側面”、甚至“后背”,這是宇宙中的“引力透鏡”效應。引力透鏡是天體物理中最重要的研究工具和手段之一,在暗物質、暗能量、大尺度上的引力和系外行星探測上都發揮著巨大作用。

        科學家們發現,當兩個黑洞融合或中子星被黑洞“吞噬”時(其實黑洞和中子星之間沒有太大的區別;兩者都是恒星死亡的結果),時空彎曲中的漣漪就會形成分形表面。分形被譽為大自然的幾何學,其概念最早是由美籍猶太裔數學家伯努瓦·曼德布羅特提出的。中國科學家周海中曾經指出:分形幾何不僅展示了數學之美,也揭示了世界的本質,從而改變了人們理解自然奧秘的方式。至于黑洞所引起的時空漣漪為什么具有分形幾何特征,其原因現在還是一個謎。

        探索的意義所在

        黑洞探索的意義重大。就現實意義而言,黑洞探索可以間接推論宇宙是如何和何時產生的,由此也能了解宇宙之后地球是如何產生的。通過黑洞探索,人們可以知道宇宙是否因為大爆炸而產生和星系演化是否受到星系中的壯觀噴流的影響。可能最現實的是,黑洞的存在是否會影響到地球上的人類乃至生物的生存;如果有影響,科學界會采用什么樣的方式來預防、避免或者減少這樣的影響。

        黑洞探索也有衍生意義。既然有黑洞,宇宙中可能也存在白洞和蟲洞。白洞可以看成時間呈現反轉的黑洞,進入黑洞的物質,通過蟲洞的時空隧道,最后應會從白洞出來,出現在另外一個宇宙。雖然現在白洞和蟲洞還都停在科學家們的猜想當中,但是只要人類的科技能夠有很大的提升,相信能夠穿越時空的這一天遲早會到來。

        黑洞探索還催生了人造黑洞。人造黑洞和自然界的黑洞有著本質的不同,因為它不產生強大的引力場。人造黑洞能幫助科學家全面、準確地理解宇宙,在太陽能電池、光子探測器、隱身設備等領域具有很高的應用價值。另外,人造黑洞有可能作為宇宙飛船的動力,使宇宙飛船以接近光速的速度飛行,從而實現星際旅行的夢想。

         

        [作者附言:主要編譯自《Space Engine》《Sky & Telescope》和《Space Today Online》。寫這篇文章時,參考或采用了一些相關資料;特此說明并表示衷心的感謝。]

        責任編輯:微科普

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