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黑洞

2012-02-12 18:09:54 本文行家:宇宙与道

黑洞(Blackhole)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。黑洞质量是如此之大,它产生的引力场是如此之强,以至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。

黑洞 - 概述

(图)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

黑洞是一个空间——时间区域,它的最外围是光所能从黑洞向外到达的最远距离,这个边界称为“事件视界”。它如同一个单向的膜,只允许物质穿过视界并落到黑洞里去,但没有任何物质能够从里面出来。 

“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。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。

黑洞 - 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”。 

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。

黑洞 - 物理特征

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。

质量

黑洞是由大于太阳质量的3.2倍的天体发生引力坍塌后形成的(小于1.4个太阳质量的恒星,会变成白矮星)。

天鹅座X-1系统的图解,展示了一个吸收附近恒星物质的黑洞。天鹅座X-1系统的图解,展示了一个吸收附近恒星物质的黑洞。流入的物质形成一个盘,环绕放射出强烈X射线的黑洞。50多年前,科学家第一次观测到这个黑洞。借助于美国国家科学基金会甚长基线射电望远镜阵的多个射电望远镜,天文学家于最近获得足够数据,描绘出这个著名系统内的黑洞一幅更为准确的图像。根据科学家的计算,这个黑洞距地球6070光年,质量是太阳的15倍,每秒旋转800多周。

天文学的观测表明,在很多星系的中心,包括银河系,都存在超过太阳质量上亿倍的超大质量黑洞。

尺寸

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量。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,如果一个重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,包括重力天体的组成物质——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重力奇点(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。

(图)黑洞

史瓦西半径

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。

史瓦西半径只是某一种黑洞的半径,指的是无自转,无磁场的黑洞,不能泛泛的说所有黑洞的直径为史瓦西半径,而且在现实中,不存在这样的黑洞,拥有史瓦西半径的黑洞只是一个理论假设。

温度

黑洞越大,温度越低黑洞越大,温度越低

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重力强度。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,而更大的黑洞温度甚至更低。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2.7度辐射(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,光子只要切线闯入这个边界内,虽然不一定会被黑洞所捕获,但是会处在一个圆形的轨道里面,无法逃脱黑洞的视界之外。对于非旋转的黑洞来说,光子球大约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办法脱离,但是对于外部的观察者来说,任何观察的到的由黑洞发出的光子,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。

参考系拖曳圈

参考系拖曳圈参考系拖曳圈

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),来间接了解其重力的分布,透过重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。

黑洞 - 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。

黑洞 - 产生

形成过程

白矮星和中子星一样,黑洞也是由恒星演化而来的。

当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(),由中心产生的能量已经不多了。这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,直到最后形成体积小、密度大的星体,重新有能力与压力平衡。

质量小一些的恒星主要演化成白矮星,质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算,中子星(参考天文小词典)的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值,那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了,从而引发另一次大坍缩。这次(根据科学家的猜想)物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径),正象我们上面介绍的那样,巨大的引力就使得即使光也无法向外射出,从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

形成理论

(图)黑洞黑洞

任何两个物体之间都存在这种吸引作用。物体之间的这种吸引作用普遍存在于宇宙万物之间,称为万有引力。宇宙星体所产生的引力场(和星体的质量及密度有关)越大,从其表面逃逸所需的极限速度就越大。如果这个引力场大到某个极限,使以光速运动的物体也不能挣脱它的束缚而逃逸,那么人们将无法观察到这个星体,仅能感受到它的引力效应。巨大黑洞质量可能是太阳的几十万、几百万或几千万倍 。由于他质量无穷大,使得其他物体能脱离他的速度也需要很大。这个逃逸速度如果超过了光速,光也会被吸纳。所以,光逃离不了。人们也就看不到黑洞。

黑洞 - 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。[1]

黑洞 - 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。

黑洞 - 毁灭过程

吸积与毁灭

(图)黑洞黑洞

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。

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。

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。然而黑洞并不是什么都吸收的,它也往外边散发质子。

爆炸毁灭

萎缩直至毁灭

黑洞会发出耀眼的光芒,体积会缩小,甚至会爆炸。霍金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(当一个粒子从黑洞逃逸而没有偿还它借来的能量,黑洞就会从它的引力场中丧失同样数量的能量,而爱因斯坦的公式E=mc2 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,而小黑洞则以极高的速度辐射能量,直到黑洞的爆炸。

沸腾直至毁灭

所有的黑洞都会蒸发,只不过大的黑洞沸腾得较慢,它们的辐射非常微弱,因此另人难以觉察。但是随着黑洞逐渐变小,这个过程会加速,以至最终失控。黑洞萎缩时,引力并也会变陡,产生更多的逃逸粒子,从黑洞中掠夺的能量和质量也就越多。黑洞萎缩的越来越快,促使蒸发的速度变得越来越快,周围光环变得更亮、更热,当温度达到10^15℃时,黑洞就会在爆炸中毁灭。[2]

黑洞 - 发现

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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