黑洞 -天體名稱

黑洞

黑洞(Black hole)是現代廣義相對論中,宇宙空間記憶體在的一種密度無限大,體積無限小的天體,所有的物理定理遇到黑洞都會失效。

黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡後,發生引力坍縮產生的。黑洞的質量極其巨大,而體積卻十分微小,它產生的引力場極為強勁,以至于任何物質和輻射在進入到黑洞的一個事件視界(臨界點)內,便再無法逃脫,甚至目前已知的傳播速度最快的光(電磁波)也逃逸不出。 黑洞無法直接觀測,但可以借由間接方式得知其存在與質量,並且觀測到它對其他事物的影響。借由物體被吸入之前的因高熱而放出紫外線和X射線的“邊緣訊息”,可以獲取黑洞存在的訊息。推測出黑洞的存在也可借由間接觀測恆星或星際雲氣團繞行軌跡取得位置以及質量。

科學家最新研究理論顯示,當黑洞死亡時可能會變成一個“白洞”,它不像黑洞吞噬鄰近所有物質,而是噴射之前黑洞捕獲的所有物質。 

  • 中文名
    黑洞
  • 外文名
    Black hole
  • 別稱
    無底洞 空間斷裂帶
  • 分類
    宇宙天體
  • 發現者
    卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)
  • 發現時間
    1916年
  • 質量
    100億倍太陽質量
  • 平均密度
    +∞
  • 直徑
    -∞
  • 表面溫度
    T=hc^3/8πkGM
  • 逃逸速度
    313248km/s
  • 視星等
  • 絕對星等
  • 自轉周期
    不自轉
  • 公轉周期
    不公轉
  • 主要探索人
    史蒂芬·霍金 愛因斯坦 施瓦西

物質介紹

“黑洞”這個名字,總是令人遐想聯翩。那麽,究竟什麽是“黑洞”呢?

黑洞

這個名字的第一個字“黑”,表明它不會向外界發射或反射任何光線,也不會發射或反射其他形式的電磁波——無論是波長最長的無線電波還是波長最短的γ射線。因此人們無法看見它,它絕對是“黑”的。第二個字“洞”,說的是任何東西隻要一進入它的邊界,就休想再溜出去了,它活像一個真正的“無底洞”。

也許有人會想:假如我用一隻超級巨大的探照燈對準黑洞照過去,像照妖鏡照住“妖怪”那樣,黑洞不就“現原形”了嗎?錯了!射向黑洞的光無論有多強,都會被黑洞全部“吞噬”,不會有一點反射。這個“無底洞”,照樣還是那麽“黑”。把這種奇特的天體稱為“黑洞”,真是太妙了。黑洞並不是科學家在一夜之間突然想到的。早在1798年,法國科學家拉普拉斯就根據牛頓建立的力學理論推測:“一個直徑像地球、密度為太陽250倍的發光恆星,在其引力作用下,將不允許它的任何光線到達我們這裏。”

這話是什麽意思呢?我們不妨先從宇宙飛船說起。宇宙飛船要擺脫地球的引力進入行星際空間,速度至少要達到11.2千米/秒,否則它就永遠逃不出地球引力的控製。這11.2千米/秒的速度,就是任何物體從地球引力場中“逃逸”出去所需的最低速度,稱為地球的“逃逸速度”。太陽的引力比地球引力強大得多,因此太陽的逃逸速度也要比地球的大得多,為618千米/秒。再進一步,要是一個天體的逃逸速度達到了光速,那麽就連光線也不可能從它那裏逃逸出去了。這樣的天體就是黑洞,拉普拉斯所說的那個恆星​便是生動的一例。光是宇宙間跑得最快的東西,既然連光都逃不出黑洞,那麽其他一切東西也就休想逃出去了。

隨著科學的發展,人們對黑洞的認識也越來越深入。如今,關于黑洞的更準確的說法是:“黑洞是廣義相對論預言的一種特殊天體。它的基本特征是有一個封閉的邊界,稱為黑洞的‘視界’;外界的物質和輻射可以進入視界,視界內的東西卻不能逃逸到外面去。”正因為黑洞如此“隻進不出、貪得無厭”,所以才有了一個不雅的外號:“太空中最自私的怪物”。

不過,事情也不是那麽簡單。出乎人們意料,黑洞這個“怪物”,有時候竟然還十分“慷慨”。這又是怎麽一回事呢?原來,在20世紀70年代,英國科學家霍金等人以量子力學為基礎,對黑洞作了更縝密的考察,結果發現黑洞會像“蒸發”那樣穩定地往外發射粒子。考慮到這種“蒸發”,黑洞就不再是絕對“黑”的了。霍金還證明,每個黑洞都有一定的溫度,而且質量越小的黑洞溫度就越高,質量越大的黑洞,其溫度反而越低。大黑洞的溫度很低,蒸發也很微弱;小黑洞的溫度很高,蒸發也很猛烈,類似劇烈的爆發。一個質量像太陽那麽大的黑洞,大約需要一年才能蒸發殆盡;但是質量和一顆小行星相當的小黑洞,竟然會在一秒鍾內就蒸發得幹幹凈凈!

演化過程

兩個互相吞噬的黑洞

黑洞

黑洞就是中心的一個密度無限大、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,這個天區範圍之內不可見。依據阿爾伯特-愛因斯坦相對論,當一顆垂死恆星崩潰,它將聚集成一點,這裏將成為黑洞,吞噬鄰近宇宙區域的所有光線和任何物質。

黑洞的產生過程類似于中子星的產生過程:某一個恆星在準備滅亡,核心在自身重力的作用下迅速地收縮,塌陷,發生強力爆炸。當核心中所有的物質都變成中子時收縮過程立即停止,被壓縮成一個密實的星體,同時也壓縮了內部的空間和時間。但在黑洞情況下,由于恆星核心的質量大到使收縮過程無休止地進行下去,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它吸進去。

也可以簡單理解:通常恆星最初隻含氫元素,恆星內部的氫原子核時刻相互碰撞,發生聚變。由于恆星質量很大,聚變產生的能量與

恆星萬有引力抗衡,以維持恆星結構的穩定。由于氫原子核的聚變產生新的元素——氦元素,接著,氦原子也參與聚變,改變結構,生成鋰元素。如此類推,按照元素周期表的順序,會依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成,直至鐵元素生成,該恆星便會坍塌。這是由于鐵元素相當穩定,參與聚變時不釋放能量,而鐵元素存在于恆星內部,導致恆星內部不具有足夠的能量與質量巨大的恆星的萬有引力抗衡,從而引發恆星坍塌,最終形成黑洞。說它“黑”,是因為它的密度無窮大,從而產生的引力使得它周圍的光都無法逃逸。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恆星演化而來的。

當一顆恆星衰老時,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,直到最後形成體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。而當它的半徑一旦收縮到一定程度(一定小于史瓦西半徑),質量導致的時空扭曲就使得即使也無法向外射出——“黑洞”就誕生了。

吸積

黑洞拉伸,撕裂並吞噬恆星

黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的,這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會嚴重影響吸積流的幾何與動力學特徵。已觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當吸積氣體接近中央黑洞時,它們產生的輻射對黑洞的自轉以及視界的存在極為敏感。對吸積黑洞光度和光譜的分析為旋轉黑洞和視界的存在提供了強有力的證據。數值模擬也顯示吸積黑洞經常出現相對論噴流也部分是由黑洞的自轉所驅動的。

通常天體物理學家會用“吸積”這個詞來描述物質向中央引力體或者是中央延展物質系統的流動。吸積是天體物理中最普遍的過程之一,而且也正是因為吸積才形成了我們周圍許多常見的結構。在宇宙早期,當氣體朝由暗物質造成的引力勢阱中心流動時形成了星系。即使到了今天,恆星依然是由氣體雲在其自身引力作用下坍縮碎裂,進而通過吸積周圍氣體而形成的。行星(包括地球)也是在新形成的恆星周圍通過氣體和岩石的聚集而形成的。當中央天體是一個黑洞時,吸積就會展現出它最為壯觀的一面。黑洞除了吸積物質之外,還通過霍金蒸發過程向外輻射粒子。

蒸發

由于黑洞的密度極大,根據公式我們可以知道密度=質量/體積,為了讓黑洞密度無限大,那就說明黑洞的體積要無限小,然後質量要無限大,這樣才能成為黑洞。黑洞是由一些恆星“滅亡”後所形成的死星,它的質量極大,體積極小。但黑洞也有滅亡的那天,按照霍金的理論,在量子物理中,有一種名為“隧道效應”的現象,即一個粒子的場強分布雖然盡可能讓能量低的地方較強,但即使在能量相當高的地方,場強仍會有分布,對于黑洞的邊界來說,這就是一堵能量相當高的勢壘,但是粒子仍有可能出去。

霍金還證明,每個黑洞都有一定的溫度,而且溫度的高低與黑洞的質量成反比例。也就是說,大黑洞溫度低,蒸發也微弱;小黑洞的溫度高蒸發也強烈,類似劇烈的爆發。相當于一個太陽質量的黑洞,大約要1x10^66年才能蒸發殆盡;相當于一顆小行星質量的黑洞會在1x10^-21秒內蒸發得幹幹凈凈。

毀滅

黑洞會發出耀眼的光芒,體積會縮小,甚至會爆炸。當英國物理學家史蒂芬·霍金于1974年做此預言時,整個科學界為之震動。

霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍,他結合了廣義相對論量子理論,他發現黑洞周圍的引力場釋放出能量,同時消耗黑洞的能量和質量。

假設一對粒子會在任何時刻、任何地點被創生,被創生的粒子就是正粒子與反粒子,而如果這一創生過程發生在黑洞附近的話就會有兩種情況發生:兩粒子湮滅、一個粒子被吸入黑洞。“一個粒子被吸入黑洞”這一情況:在黑洞附近創生的一對粒子其中一個反粒子會被吸入黑洞,而正粒子會逃逸,由于能量不能憑空創生,我們設反粒子攜帶負能量,正粒子攜帶正能量,而反粒子的所有運動過程可以視為是一個正粒子的為之相反的運動過程,如一個反粒子被吸入黑洞可視為一個正粒子從黑洞逃逸。這一情況就是一個攜帶著從黑洞裏來的正能量的粒子逃逸了,即黑洞的總能量少了,而愛因斯坦的公式E=mc^2表明,能量的損失會導致質量的損失。

當黑洞的質量越來越小時,它的溫度會越來越高。這樣,當黑洞損失質量時,它的溫度和發射率增加,因而它的質量損失得更快。這種“霍金輻射”對大多數黑洞來說可以忽略不計,因為大黑洞輻射的比較慢,而小黑洞則以極高的速度輻射能量,直到黑洞的爆炸。

表現形式

黑洞

恆星的時空扭曲改變了光線的路徑,使之和原先沒有恆星情況下的路徑不一樣。光在恆星表面附近稍微向內偏折,在日食時觀察遠處恆星發出的光線,可以看到這種偏折現象。當該恆星向內坍塌時,其質量導致的時空扭曲變得很強,光線向內偏折得也更強,從而使得光線從恆星逃逸變得更為困難。對于在遠處的觀察者而言,光線變得更黯淡更紅。最後,當這恆星收縮到某一臨界半徑(史瓦西半徑)時,其質量導致時空扭曲變得如此之強,使得光向內偏折得也如此之強,以至于光線再也逃逸不出去 。這樣,如果光都逃逸不出來,其他東西更不可能逃逸,都會被拉回去。也就是說,存在一個事件的集合或時空區域,光或任何東西都不可能從該區域逃逸而到達遠處的觀察者,這樣的區域稱作黑洞。將其邊界稱作事件視界,它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。

與別的天體相比,黑洞十分特殊。人們無法直接觀察到它,科學家也隻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恆星發出的光,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,有些恆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恆星的“臉”,還同時看到它的“側面”、甚至“後背”,這是宇宙中的“引力透鏡”效應。

這張紅外波段圖像拍攝的是我們所居住銀河系的中心部位,所有銀河系的恆星都圍繞銀心部位可能存在的一個超大質量黑洞公轉。 據美國太空網報道,一項新的研究顯示,宇宙中最大質量的黑洞開始快速成長的時期可能比科學家原先的估計更早,並且仍在加速成長。

一個來自以色列特拉維夫大學的天文學家小組發現,宇宙中最大質量黑洞的首次快速成長期出現在宇宙年齡約為12億年時,而非之前認為的20~40億年。天文學家們估計宇宙的年齡約為138.2億年。

同時,這項研究還發現宇宙中最古老、質量最大的黑洞同樣具有非常快速的成長。有關這一發現的詳細情況將發表在最新一期的《天體物理學報》。

如果黑洞足夠大,宇航員會開始覺察到拉著他腳的重力比拉著他頭的重力更強大,這種吸引力拖著他無情地向下落,重力差會迅速加大而將他撕裂,最終他的遺體會被扯得粉碎而落入黑洞那無限致密核心。

普金斯基和他的兩個學生艾哈邁德·艾姆哈裏、詹姆斯·薩利,加上該校的另一位弦理論學家唐納德·馬洛夫一起,對這一事件進行了重新計算。根據他們的計算,卻呈現出完全不同的另一番場景:量子效應會把事件視界變成沸騰的粒子大漩渦,任何東西掉進去都會撞到一面火焰牆上而被瞬間烤焦。

美國宇航局有關一個超大質量黑洞及其周圍物質盤,炙熱的物質團(一個呈粉紅色,一個呈黃色)每一個的體積都與太陽相當,環繞距離黑洞較近的軌道運行。科學家認為所有大型星系中心都存在超大質量黑洞。黑洞一直在吞噬被稱之為“活躍星系核”的物質。由于被明亮並且溫度極高的下落物質盤環繞,黑洞的質量很難確定。根據上周刊登在《自然》雜志上的一篇新研究論文,基于對繞黑洞運行物質旋轉速度的計算結果,37個已知星系中心黑洞的質量實際上低于此前的預計。

分類特點

物理性質劃分

根據黑洞本身的物理特徵質量,角動量,電荷劃分,可以將黑洞分為五類。

不旋轉不帶電荷的黑洞:它的時空結構于1916年由史瓦西求出,稱史瓦西黑洞

不旋轉帶電黑洞:稱R-N黑洞。時空結構于1916至1918年由賴斯納(Reissner)和納自敦(Nordstrom)求出。

旋轉不帶電黑洞:稱克爾黑洞。時空結構由克爾于1963年求出。

一般黑洞:稱克爾-紐曼黑洞。時空結構于1965年由紐曼求出。

雙星黑洞:與其他恆星一塊形成雙星的黑洞。

克爾紐曼黑洞

轉動且帶電荷的

黑洞,叫做克爾--紐曼黑洞。這種結構的黑洞視界和無限紅移面會分開,而且視界會分為兩個(外視界r+和內視界r-),無限紅移面也會分裂為兩個(rs+和rs-) 。外視界和無限紅移面之間的區域叫做能層,有能量儲存在那裏。越過外無限紅移面的物體仍有可能逃離黑洞,這是因為能層還不是單向膜區。

(其中,M、J、Q分別代表黑洞的總質量、總角動量和總電荷。a=J/Mc為單位質量角動量)

單向膜區內,r為時間,s是空間。穿過外視界進入單向膜區得物體,將隻能向前,穿過內視界進入黑洞內部。內視界以裏的區域不是單向膜區,那裏有一個“奇環”,也就是時間終止的地方。物體可以在內視界內自由運動,由于奇環產生斥力,物體不會撞上奇環,不過,奇環附近有一個極為有趣的時空區,在那裏存在“閉合類時線”,沿這種時空曲線運動的物體可以不斷地回到自己的過去。

大型黑洞

巨型黑洞

宇宙中大部分星系,包括我們居住的銀河系的中心都隱藏著一個超大質量黑洞。這些黑洞質量大小不一,大約99萬~400億個太陽質量。天文學家們通過探測黑洞周圍吸積盤發出的強烈輻射熱量 推斷這些黑洞的存在。物質在受到強烈黑洞引力下落時,會在其周圍形成吸積盤盤旋下降,在這一過程中勢能迅速釋放,將物質加熱到極高的溫度,從而發出強烈輻射。黑洞通過吸積方式吞噬周圍物質,這可能就是它的成長方式 。

這項最新的研究採用了全世界最先進的地基觀測設施,包括位于美國夏威夷莫納克亞山頂,海拔4000多米處的北雙子座望遠鏡,位于智利帕拉那山的南雙子座望遠鏡,以及位于美國新墨西哥州聖阿古斯丁平原上的甚大陣射電望遠鏡

特大黑洞

新發現的黑洞,位置在距地球20萬~4億光年的地方。專家指出,大部分黑洞質量,隻比太陽多出數倍,但是新蒐集到的資料顯示,這3個黑洞的質量,約是太陽的9000萬~4億倍。

分形特征

一個由美國、英國、義大利和奧地利科學家組成的國際研究團隊,根據先前的研究和通過超級電腦的模擬,發現黑洞、引力波和暗物質均具有分形幾何特征。有專家認為,這一重大發現將導致對天文學甚至物理學諸多不同領域的深刻認識。

黑洞是宇宙空間記憶體在的一種密度無限大、熱量無限高、體積無限小的天體,所有的物理定理遇到黑洞都會失效;它是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡而“死亡”後,發生引力坍縮產生的。當黑洞“打嗝”時,就意味著有某個天體被黑洞“吞噬”,黑洞依靠吞噬落入其中物質“成長”;當黑洞“進食”大量物質時,就會有高速等離子噴流從黑洞邊緣逃逸而出。科學家利用流體動力學和引力相關理論並通過超級電腦進行模擬後得出結論——“進食”正在成長過程中的黑洞,將會使其形成分形表面。

“黑洞”一詞命名者、美國著名物理學家約翰·惠勒教授曾經說過:今後誰不熟悉分形幾何,誰就不能被稱為科學上的文化人。中國著名學者周海中教授曾經指出: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;可以說分形幾何是真正描述大自然的幾何學,對它的研究也極大地拓展了人類的認知疆域。可見,分形幾何有著極其重要的科學地位。

黑洞是宇宙中最神秘的自然現象。它為什麽具有分形幾何特征,其原因現在還是一個謎。

黑洞的資料

名稱

質量(太陽=1)

伴星質量(太陽=1)

MGR0J1655-40

6.7

1.7

大麥哲倫雲X-3

6.2

30

J0422432

7

0.9

A0620-00

11

1

天鵝座V404

15.9

0.1

天鵝座X-1

20

45

大質量的成長

觀測結果顯示,出現在宇宙年齡僅為12億年時的活躍黑洞,其質量要比稍後出現的大部分大質量黑洞質量小9/10。但是它們的成長速度非常快,因而它們的質量要比後者大得多。通過對這種成長速度的測算,研究人員可以估算出這些黑洞天體之前和之後的發展路徑。

該研究小組發現,那些最古老的黑洞,即那些在宇宙年齡僅為數億年時便開始進入全面成長期的黑洞,它們的質量僅為太陽的99到2000倍。研究人員認為這些黑洞的形成和演化可能和宇宙中最早的恆星有關。

天文學家們還註意到,在最初的12億年後,這些被觀測的黑洞天體的成長期僅僅持續了2億到4億年。

這項研究是一個已持續9年的研究計畫的成果。特拉維夫大學主持的這項研究旨在追蹤研究宇宙中最大質量黑洞的演化,並觀察它們對宿主星系產生的影響。

最大的黑洞

天文學家最新觀測發現小型星系竟包含著一個超大質量黑洞,其質量是太陽的370億倍。天文學家也沒有線索證實這一奇怪現象。

天文學家發現一個超級質量黑洞,所在NGC 1277星系中心膨脹區域70%恆星質量都聚集在黑洞中,這項發現將進一步增添了星系與黑洞之間關系的神秘性。

位于英仙座星系群的小型星系NGC 1277距離地球25萬光年,這個處在其內部的黑洞質量竟然達到太陽質量的400億倍。相比之下,銀河系中心的超大質量黑洞就是小巫見大巫了,它僅是太陽質量的200萬倍。

普通黑洞僅佔星系膨脹區域的0.1%質量,在此之前觀測到擁有最大比例質量黑洞的星系是NCG 4486B,它的黑洞質量佔星系的12%。而當前發現NGC 1277星系的神秘巨型黑洞仍是一個謎團,德國馬克思-普朗克天文研究所的天文學家雷姆科-範德-博世說:“我們並未想到宇宙中會存在如此巨大的黑洞,目前我們進一步揭開其中的秘密,並掌握類似的星系在宇宙中如何形成,以及存在的普遍性。”

NGC 1277星系可能並不是唯一的,天文學家正在研究多個類似情況的星系,它們可能蘊藏著不成比例的大型黑洞。

探索歷史

1970年,美國的“自由”號人造衛星發現了與其他射線源不同的天鵝座X-1,位于天鵝座X-1上的是一個比太陽重30多倍的巨大藍色星球,該星球被一個重約10個太陽的看不見的物體牽引著。天文學家一致認為這個物體就是黑洞,它就是人類發現的第一個黑洞。

1928年,薩拉瑪尼安·錢德拉塞卡到英國劍橋跟英國天文學家阿瑟·愛丁頓爵士(一位廣義相對論家)學習。錢德拉塞卡意識到,不相容原理所能提供的排斥力有一個極限。恆星中的粒子的最大速度差被相對論限製為光速。這意味著,恆星變得足夠緊致之時,由不相容原理引起的排斥力就會比引力的作用小。錢德拉塞卡計算出;一個大約為太陽質量一倍半的冷的恆星不能支持自身以抵抗自己的引力。(這質量稱為錢德拉塞卡極限)前蘇聯科學家列夫·達維多維奇·蘭道幾乎在同時也發現了類似的結論。

如果一顆恆星的質量比錢德拉塞卡極限小,它最後會停止收縮並終于變成一顆半徑為幾千英裏和密度為每立方英寸幾百噸的“白矮星”。白矮星是它物質中電子之間的不相容原理排斥力所支持的。第一顆被觀察到的是繞著夜空中最亮的恆星——天狼星轉動的那一顆。

蘭道指出,對于恆星還存在另一可能的終態。其極限質量大約也為太陽質量的一倍或二倍,但是其體積甚至比白矮星還小得多。這些恆星是由中子質子之間,而不是電子之間的不相容原理排斥力所支持。所以它們被叫做中子星。它們的半徑隻有10英裏左右,密度為每立方英寸幾億噸。在中子星被第一次預言時,並沒有任何方法去觀察它,很久以後它們才被觀察到。

另一方面,質量比錢德拉塞卡極限還大的恆星在耗盡其燃料時,會出現一個很大的問題:在某種情形下,它們會爆炸或拋出足夠的物質,使自己的質量減少到極限之下,以避免災難性的引力坍縮,不管恆星有多大,這總會發生。愛丁頓拒絕相信錢德拉塞卡的結果。愛丁頓認為,一顆恆星不可能坍縮成一點。這是大多數科學家的觀點:愛因斯坦自己寫了一篇論文,宣布恆星的體積不會收縮為零。其他科學家,尤其是他以前的老師、恆星結構的主要權威——愛丁頓的敵意使錢德拉塞卡拋棄了這方面的工作,轉去研究諸如恆星團運動等其他天文學問題。然而,他獲得1983年諾貝爾獎,至少部分原因在于他早年所做的關于冷恆星的質量極限的工作。

錢德拉塞卡指出,不相容原理不能夠阻止質量大于錢德拉塞卡極限的恆星發生坍縮。但是,根據廣義相對論,這樣的恆星會發生什麽情況呢。這個問題被一位年輕的美國人羅伯特·奧本海默于1939年首次解決。然而,他所獲得的結果表明,用當時的望遠鏡去觀察不會再有任何結果。以後,因第二次世界大戰的幹擾,奧本海默卷入到核子彈計畫中去。戰後,由于大部分科學家被吸引到原子原子核尺度的物理中去,因而引力坍縮的問題被大部分人忘記了。

1967年,劍橋的一位研究生約瑟琳·貝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。起初貝爾和她的導師安東尼·赫維許以為,他們可能和我們星系中的外星文明進行了接觸。在宣布他們發現的討論會上,他們將這四個最早發現的源稱為LGM1-4,LGM表示“小綠人”(“Little Green Man”)的意思。最終他們和所有其他人的結論是這些被稱為脈沖星的物體,事實上是旋轉的中子星,這些中子星由于在黑洞這個概念剛被提出的時候,共有兩種光理論:一種是牛頓贊成的光的微粒說;另一種是光的波動說。由于量子力學的波粒二象性,光既可認為是波,也可認為是粒子。在光的波動說中,不清楚光對引力如何回響。但是如果光是由粒子組成的,人們可以預料,它們正如同炮彈、火箭和行星那樣受引力的影響。起先人們以為,光粒子無限快地運動,所以引力不可能使之慢下來,但是羅麥關于光速度有限的發現表明引力對之可有重要效應。

1783年,劍橋的學監約翰·米歇爾在這個假定的基礎上,在《倫敦皇家學會哲學學報》上發表了一篇文章。他指出,一個質量足夠大並足夠緊致的恆星會有如此強大的引力場,以致于連光線都不能逃逸——任何從恆星表面發出的光,還沒到達遠處即會被恆星的引力吸引回來。米歇爾暗示,可能存在大量這樣的恆星,雖然會由于從它們那裏發出的光不會到達我們這兒而使我們不能看到它們,但我們仍然可以感到它們的引力的吸引作用。這正是我們稱為黑洞的物體。

事實上,因為光速是固定的,所以,在牛頓引力論中將光類似炮彈那樣處理不嚴謹。(從地面發射上天的炮彈由于引力而減速,最後停止上升並折回地面;然而,一個光子必須以不變的速度繼續向上,那麽牛頓引力對于光如何發生影響。)在1915年愛因斯坦提出廣義相對論之前,一直沒有關于引力如何影響光的協調的理論,之後這個理論對大質量恆星的含意才被理解。

觀察一個恆星坍縮並形成黑洞時,因為在相對論中沒有絕對時間,所以每個觀測者都有自己的時間測量。由于恆星的引力場,在恆星上某人的時間將和在遠處某人的時間不同。假定在坍縮星表面有一無畏的航天員和恆星一起向內坍縮,按照他的表,每一秒鍾發一信號到一個繞著該恆星轉動的空間飛船上去。在他的表的某一時刻,譬如11點鍾,恆星剛好收縮到它的臨界半徑,此時引力場強到沒有任何東西可以逃逸出去,他的信號再也不能傳到空間飛船了。當11點到達時,他在空間飛船中的伙伴發現,航天員發來的一串信號的時間間隔越變越長。但是這個效應在10點59分59秒之前是非常微小的。在收到10點59分58秒和10點59分59秒發出的兩個信號之間,他們隻需等待比一秒鍾稍長一點的時間,然而他們必須為11點發出的信號等待無限長的時間。按照航天員的手表,光波是在10點59分59秒和11點之間由恆星表面發出;從空間飛船上看,那光波被散開到無限長的時間間隔裏。在空間飛船上收到這一串光波的時間間隔變得越來越長,所以恆星來的光顯得越來越紅、越來越淡,最後,該恆星變得如此之朦朧,以至于從空間飛船上再也看不見它,所餘下的隻是空間中的一個黑洞。然而,此恆星繼續以同樣的引力作用到空間飛船上,使飛船繼續繞著所形成的黑洞旋轉。

黑洞吞噬中子星

但是由于以下的問題,使得上述情景不是完全現實的。離開恆星越遠則引力越弱,所以作用在這位無畏的航天員腳上的引力總比作用到他頭上的大。在恆星還未收縮到臨界半徑而形成事件視界之前,這力的差就已經將航天員拉成義大利面條那樣,甚至將他撕裂!然而,在宇宙中存在質量大得多的天體,譬如星系的中心區域,它們遭受到引力坍縮而產生黑洞;一位在這樣的物體上面的航天員在黑洞形成之前不會被撕開。事實上,當他到達臨界半徑時,不會有任何異樣的感覺,甚至在通過永不回返的那一點時,都沒註意到。但是,隨著這區域繼續坍縮,隻要在幾個鍾頭之內,作用到他頭上和腳上的引力之差會變得如此之大,以至于再將其撕裂。

羅傑·彭羅斯在1965年和1970年之間的研究指出,根據廣義相對論,在黑洞中必然存在無限大密度和空間——時間曲率的奇點。這和時間開端時的大霹靂相當類似,隻不過它是一個坍縮物體和航天員的時間終點而已。在此奇點,科學定律和預言將來的能力都失效了。然而,任何留在黑洞之外的觀察者,將不會受到可預見性失效的影響,因為從奇點出發的不管是光還是任何其他信號都不能到達。這令人驚奇的事實導致羅傑·彭羅斯提出了宇宙監督猜測,它可以被意譯為:“上帝憎惡裸奇點。”換言之,由引力坍縮所產生的奇點隻能發生在像黑洞這樣的地方,在那兒它被事件視界體面地遮住而不被外界看見。嚴格地講,這是所謂弱的宇宙監督猜測:它使留在黑洞外面的觀察者不致受到發生在奇點處的可預見性失效的影響,但它對那位不幸落到黑洞裏的可憐的航天員卻是愛莫能助。

廣義相對論相關

廣義相對論方程存在一些解,這些解使得我們的航天員可能看到裸奇點。他也許能避免撞到奇點上去,而穿過一個“蟲洞”來到宇宙的另一區域。看來這給空間——時間內的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是,所有這些解似乎都是非常不穩定的;最小的幹擾,譬如一個航天員的存在就會使之改變,以至于他還沒能看到此奇點,就撞上去而結束了他的時間。換言之,奇點總是發生在他的將來,而從不會在過去。強的宇宙監督猜測是說,在一個現實的解裏,奇點總是或者整個存在于將來(如引力坍縮的奇點),或者整個存在于過去(如大霹靂)。因為在接近裸奇點處可能旅行到過去,所以宇宙監督猜測的某種形式的成立是大有希望的。

事件視界,也就是空間——時間中不可逃逸區域的邊界,正如同圍繞著黑洞的單向膜:物體,譬如不謹慎的航天員,能通過事件視界落到黑洞裏去,但是沒有任何東西可以通過事件視界而逃離黑洞。(記住事件視界是企圖逃離黑洞的光的空間——時間軌道,沒有任何東西可以比光運動得更快)人們可以將詩人但丁針對地獄入口所說的話恰到好處地用于事件視界:“從這兒進去的人必須拋棄一切希望。”任何東西或任何人一旦進入事件視界,就會很快地到達無限致密的區域和時間的終點。

廣義相對論預言,運動的重物會導致引力波的輻射,那是以光的速度傳播的空間——時間曲率的漣漪。引力波和電磁場的漣漪光波相類似,但是要探測到它則困難得多。就像光一樣,它帶走了發射它們的物體的能量。因為任何運動中的能量都會被引力波的輻射所帶走,所以可以預料,一個大質量物體的系統最終會趨向于一種不變的狀態。(這和扔一塊軟木到水中的情況相當類似,起先翻上翻下折騰了好一陣,但是當漣漪將其能量帶走,就使它最終平靜下來。)例如,繞著太陽公轉的地球即產生引力波。其能量損失的效應將改變地球的軌道,使之逐漸越來越接近太陽,最後撞到太陽上,以這種方式歸于最終不變的狀態。在地球和太陽的情形下能量損失率非常小——大約隻能點燃一個小電熱器, 這意味著要用大約1千億億億年地球才會和太陽相撞,沒有必要立即去為之擔憂!地球軌道改變的過程極其緩慢,以至于根本觀測不到。但幾年以前,在稱為PSR1913+16(PSR表示“脈沖星”,一種特別的發射出無線電波規則脈沖的中子星)的系統中觀測到這一效應。此系統包含兩個互相圍繞著運動的中子星,由于引力波輻射,它們的能量損失,使之相互以螺旋線軌道靠近。

在恆星引力坍縮形成黑洞時,運動會更快得多,這樣能量被帶走的速率就高得多。所以不用太長的時間就會達到不變的狀態。人們會以為它將依賴于形成黑洞的恆星的所有的復雜特征——不僅僅它的質量和轉動速度,而且恆星不同部分的不同密度以及恆星內氣體的復雜運動。如果黑洞就像坍縮形成它們的原先物體那樣變化多端,一般來講,對之作任何預言都將是非常困難的。

然而,加拿大科學家外奈·伊斯雷爾在1967年使黑洞研究發生了徹底的改變。他指出,根據廣義相對論,非旋轉的黑洞必須是非常簡單、完美的球形;其大小隻依賴于它們的質量,並且任何兩個這樣的同質量的黑洞必須是等同的。事實上,它們可以用愛因斯坦的特解來描述,這個解是在廣義相對論發現後不久的1917年卡爾·施瓦茲席爾德找到的。一開始,許多人(其中包括伊斯雷爾自己)認為,既然黑洞必須是完美的球形,一個黑洞隻能由一個完美球形物體坍縮而形成。所以,任何實際的恆星從來都不是完美的球形隻會坍縮形成一個裸奇點

然而,對于伊斯雷爾的結果,一些人,特別是羅傑·彭羅斯約翰·惠勒提倡一種不同的解釋。他們論證道,牽涉恆星坍縮的快速運動表明,其釋放出來的引力波使之越來越近于球形,到它終于靜態時,就變成準確的球形。按照這種觀點,任何非旋轉恆星,不管其形狀和內部結構如何復雜,在引力坍縮之後都將終結于一個完美的球形黑洞,其大小隻依賴于它的質量。這種觀點得到進一步的計算支持,並且很快就為大家所接受。

黑洞

伊斯雷爾的結果隻處理了由非旋轉物體形成的黑洞。1963年,紐西蘭人羅伊·克爾找到了廣義相對論方程的描述旋轉黑洞的一族解。這些“克爾”黑洞以恆常速度旋轉,其大小與形狀隻依賴于它們的質量和旋轉的速度。如果旋轉為零,黑洞就是完美的球形,這解就和施瓦茲席爾德解一樣。如果有旋轉,黑洞的赤道附近就鼓出去(正如地球或太陽由于旋轉而鼓出去一樣),而旋轉得越快則鼓得越多。由此人們猜測,如將伊斯雷爾的結果推廣到包括旋轉體的情形,則任何旋轉物體坍縮形成黑洞後,將最後終結于由克爾解描述的一個靜態。

黑洞是科學史上極為罕見的情形之一,在沒有任何觀測到的證據證明其理論是正確的情形下,作為數學的模型被發展到非常詳盡的地步。的確,這經常是反對黑洞的主要論據:怎麽能相信一個其依據隻是基于令人懷疑的廣義相對論的計算的對象呢?然而,1963年,加利福尼亞的帕羅瑪天文台的天文學家馬丁·施密特測量了在稱為3C273(即是劍橋射電源編目第三類的273號)射電源方向的一個黯淡的類星體紅移。他發現引力場不可能引起這麽大的紅移——如果它是引力紅移,這類星體必須具有如此大的質量,並離地球如此之近,以至于會幹擾太陽系中的行星軌道。這暗示此紅移是由宇宙的膨脹引起的,進而表明此物體離地球非常遠。由于在這麽遠的距離還能被觀察到,它必須非常亮,也就是必須輻射出大量的能量。人們會想到,產生這麽大量能量的唯一機製看來不僅僅是一個恆星,而是一個星系的整個中心區域的引力坍縮。人們還發現了許多其他類星體,它們都有很大的紅移。但是它們都離開地球太遠了,所以對之進行觀察太困難,以至于不能。

發現“超大”黑洞

2015年3月1日,科學家稱在一座發光類星體裏發現了一片質量為太陽400億倍的黑洞,並且該星體早在宇宙形成的早期就已經存在。科學家稱,如此巨大的黑洞的形成無法用現有黑洞理論解釋。

該發現對2014年之前的宇宙形成理論帶出了挑戰。至2015年的宇宙理論認為,黑洞及其宿主星系的發展形態基本上是亙古不變的。

德國麥克斯普蘭喀天文機構的研究員布拉姆·維尼曼斯(BramVenemans)說道,最新發現的黑洞體量相當于太陽的400億倍,比先前發現的同時期黑洞的總和還大出一倍。而在銀河系的中央潛伏的黑洞比太陽大20倍-500萬倍。

科學家無法解釋最新發現的黑洞為何成長速度如此快。從理論上來說,它周圍的氣體不能使它變得如此龐大。北京大學首席研究員吳學兵說:“我們的發現對早期宇宙黑洞形成的理論提出了挑戰。”他還說,“黑洞在短期內成長可能需要非常特殊的方式,或者在第一代行星和星系形成時就留有黑洞種子。但是這兩種可能性都很難用當今的理論來解釋”。

科學研究

電漿

德國馬克斯普朗克核物理研究所的研究人員使用柏林同步加速器(BESSY Ⅱ)在實驗室成功產生了黑洞周邊的電漿。通過該研究,之前隻能在太空由人造衛星執行的天文物理實驗,也可以在地面進行,諸多天文物理學難題有望得到解決。黑洞的重力很大,會吸附一切物質。進入黑洞後,任何東西都不可能從黑洞的邊界之內逃逸出來。隨著被吸入的物體的溫度不斷升高,會產生核與電子分離的高溫電漿

黑洞吸附物質會產生X射線,X射線反過來又會刺激其中的大量化學元素發射出具有獨特線條(顏色)的X射線。分析這些線條可以幫助科學家了解更多有關黑洞附近電漿的密度、速度和組成成分等信息。

在這個過程中,鐵起了非常關鍵的作用。盡管鐵在宇宙中的儲量並不如更輕的氫和氦豐富,但是,它能夠更好地吸收和重新發射出X射線,發射出的光子因此也比其他更輕的原子發射出的光子具有更高的能量、更短的波長(使得其具有不同的顏色)。

鐵發射出的X射線在穿過黑洞周圍的介質時也會被吸收。在這個所謂的光離化過程中,鐵原子通常會經歷幾次電離,其包含的26個電子中有超過一半會被去除,最終產生帶電離子,帶電離子聚集成為電漿,研究人員可以在實驗室中重現了這個過程。

實驗的核心是馬克斯普朗克核物理研究所設計的電子束離子阱。在這個離子阱中,鐵原子經由一束強烈的電子束加熱,從而被離子化14次。實驗過程如下:一團鐵離子(僅僅幾釐米長並且像頭發絲一樣薄)在磁場和電場的作用下被懸停在一個超高真空內,同步加速器發射出的X射線的光子能量被一台精確性超高的“單色儀”挑選出來,作為一束很薄但卻集中的光束施加到鐵離子上。

實驗室測量到的光譜線與錢德拉X射線天文台和牛頓X射線多鏡望遠鏡所觀測的結果相匹配。也就是說,研究人員在地面實驗室人為製造出了太空中的黑洞電漿。

這種新奇的方法將帶電離子的離子阱和同步加速器輻射源結合在一起,讓人們可以更好地了解黑洞周圍的電漿或者活躍的星系核。研究人員希望,將EBIT分光檢查鏡和更清晰的第三代(2009年開始在德國漢堡運行的同步輻射源PETRAⅢ)、第四代(X射線自由電子雷射XFEL)X射線源結合,將能夠給該研究領域帶來更多新鮮活力。

人造黑洞

美國製成“人造黑洞”

2005年3月,美國布朗大學物理教授‘霍拉蒂·納斯塔西’在地球上製造出了第一個“人造黑洞“。美國紐約布魯克海文實驗室1998年建造了20世紀全球最大的粒子加速器,將金離子以接近光速對撞而製造出高密度物質。雖然這個黑洞體積很小,卻具備真正黑洞的許多特點。紐約布魯克海文國家實驗室裏的相對重離子碰撞機,可以以接近光速的速度把大型原子的核子(如金原子核子)相互碰撞,產生相當于太陽表面溫度3億倍的熱能。納斯塔西在紐約布魯克海文國家實驗室裏利用原子撞擊原理製造出來的灼熱火球,具備天體黑洞的顯著特徵。比如:火球可以將周圍10倍于自身質量的粒子吸收,這比所有量子物理學所推測的火球可吸收的粒子數目還要多。

人造黑洞的構想最初由加拿大“不列顛哥倫比亞大學”的威廉·昂魯教授在20世紀80年代提出,他認為聲波在流體中的表現與光在黑洞中的表現非常相似,如果使流體的速度超過聲速,那麽事實上就已經在該流體中建立了一個人造黑洞。然而,利昂哈特博士打算製造的人造黑洞由于缺乏足夠的引力,除了光線外,它們無法像真正的黑洞那樣“吞下周圍的所有東西”。然而,納斯塔西教授製造的人造黑洞已經可以吸收某些其他物質。因此,這被認為是黑洞研究領域的重大突破。

歐洲“人造黑洞”

2008年9月10日,隨著第一束質子束流貫穿整個對撞機,歐洲大型強子對撞機正式啓動。

歐洲大型強子對撞機是2013年前世界上最大、能量最高的粒子加速器,是一種將質子加速對撞的高能物理設備,它位于瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機,作為國際高能物理學研究之用。系統第一負責人是英國著名物理學家‘林恩·埃文斯’,大型強子對撞機最早就是由他構想出來並主導製造的,被外界稱為“埃文斯原子能”。

當比我們的太陽更大的特定恆星在生命最後階段發生爆炸時,自然界就會形成黑洞。它們將大量物質濃縮在非常小的空間內。假設在大型強子對撞機內的質子相撞產生粒子的過程中,形成了微小黑洞,每個質子擁有的能量可跟一隻飛行中的蚊子相當。天文學上的黑洞比大型強子對撞機能產生的任何東西的質量更重。據愛因斯坦的相對論描述的重力性質,大型強子對撞機內不可能產生微小黑洞。然而一些純理論預言大型強子對撞機能產生這種粒子產品。所有這些理論都預測大型強子對撞機產生的此類粒子會立刻分解。因此它產生的黑洞將沒時間濃縮物質,產生肉眼可見的結果。

中國的人造電磁黑洞

中國科學家造出第一個“人造電磁黑洞

2009年10月15 日,《科學》雜志宣布,世界上第一個“可吸收電磁波的微波人造黑洞”在中國東南大學實驗室裏誕生。不過,這個小型“黑洞”不僅不會毀滅世界,還能幫助人們更好地吸收太陽能。

人們對黑洞這種天體感到好奇,但絕不會希望有任何一個黑洞接近自己,或我們的星球。有一些科學家在自己的實驗室裏造出了一個“迷你小型”黑洞。

2009年10月15日的《科學》雜志在介紹這種“人造黑洞”時建議,人們可以把這種“黑洞”裝進自己的大衣口袋裏。

製造出“人造黑洞”的是中國東南大學的一個研究組,崔鐵軍教授和程強教授是其中最主要的兩位研究者。

“實際上,我們做的黑洞不是嚴格意義上的黑洞。”在接受《外灘畫報》採訪時,程強教授對記者說。

實驗室裏的“人工黑洞”,目的當然不是為了將一個吞噬一切的“惡魔”裝進口袋。據程強介紹,存在于東南大學毫米波國家實驗室的“人造黑洞”,實際上是一個模擬裝置,這種模擬裝置可以吸收微波頻段的電磁波,在未來,它還可以吸收光。

但是除此之外,它並不能吸收任何實質的東西。“它隻吸收電磁波,不吸收能量。”程強對記者說。

這是一個不具有危險性的“黑洞”,不僅如此,這種裝置還能在未來用于收集太陽能。在這方面,“人造黑洞”將比世界上任何一種太陽能電池板都更高效。

一些物理愛好者甚至為這種全新的裝置設計了一些新功能,比如將它裝置在航天器中的太陽帆上,或者用來吸收空氣中遊散的電磁波——因為手機和無線網路的普及,這種看不見的電磁波據說侵害了我們的健康,成為一種新的污染。

不過,製造“黑洞”的研究者卻從來不想那麽多,崔鐵軍和程強正在繼續的,是如何把實驗室裏的裝置變成樣機,“實現工程化”。

面對關于“人造黑洞”的各式各樣的議論,程強認為,“成果公布以後,被許多國際媒體轉載和評論,確實也大大出乎我們意料。從我們個人角度而言,隻覺得這是一個比較有意義的工作。

實驗室裏的“黑洞”

“我覺得很驚奇,崔和程這麽快就做出了‘人造黑洞’!”看到這個研究成果後,納瑞馬諾維說。

伊維根·納瑞馬諾維(Evgenii Narimanov)是美國印第安納州西拉斐特市普渡大學的一名教授。

年初,他和合作者亞歷山大·基爾迪謝維(Alexander Kildishev)一起,發表論文,提出了一種製造小型“黑洞”的理論和設計方案。

他們的想法是通過模擬黑洞的一些性質,使在“人造黑洞”附近出現的放射性物質被吸引,然後螺旋式地進入“黑洞”中心。

“我們的確是受到他的論文的啓發,但研究本身是我們獨立完成的。”程強對記者說。

之所以能這麽快將之變成現實,是因為他們所在的實驗室也一直從事著這方面的研究,在理論和實驗兩方面都積累了很多年的經驗,實驗過程中也用到了很多他們自己的獨創性想法。

不過雖然名為“黑洞”,他們受納瑞馬諾維啓發而造的“黑洞”,和真正存在于宇宙中的黑洞還是有大差別的,這種差別並不僅僅體現在質量的大小上。兩種“黑洞”的原理其實並不一樣。

宇宙間的黑洞之所以能吞噬一切,是因為它質量巨大,而實驗室裏的“黑洞”,實際上是根據光波在被吸進宇宙黑洞時的性質,模擬出來的儀器,可以令光波接近時產生相似的扭曲,並被吸引。

也就是說,兩種“黑洞”可以讓附近的光波出現相似的“結局”,但是光波遇到的卻並不是同一回事。

不過東南大學實驗室裏的“黑洞”,還隻是適用于某些微波頻率,比如人們常用的通信頻率, 如GSM、CDMA 和藍牙等,吸引光波還有待進一步研究,因為光波的頻率更短,需要設計的“人造黑洞”尺寸也要更小些。

質量測定

中科院國家天文台研究員劉繼峰領導的國際團隊在世界上首次成功測量到X射線極亮天體的黑洞質量,在該領域獲得重大突破,將增進人們對黑洞及其周圍極端物理過程的認識。該研究成果2013年11月28日發表在國際權威雜志《自然》上。20世紀90年代以來,天文學家陸續在遙遠星系中發現了一批X射線光度極高的天體,它們可能是人們一直尋找的中等質量黑洞,也可能是具有特殊輻射機製的幾個或幾十個太陽質量的恆星級黑洞。國際天文和天體物理界對此一直難以定論。由于這類天體距離我們十分遙遠,通常為幾千萬光年,同時X射線照射黑洞吸積盤而產生的光污染也非常強,因此測量極其困難。

劉繼峰團隊選取有特色的天體目標,成功申請到位于美國夏威夷的8米大型雙子望遠鏡以及10米凱克望遠鏡各20小時的觀測時間,在3個月的時間跨度上對漩渦星系中X射線極亮源M101ULX-1進行了研究,並確認其中心天體為一個質量與恆星可比擬的黑洞。這個黑洞加伴星形成的黑洞雙星系統位于2200萬光年之外,是人類迄今發現的距離地球最遙遠的黑洞雙星。

不存在

黑洞這一定義在經過漫長的時間推測後,已經慢慢被人們所接受。然而在2014年1月24日,英國著名物理學家史蒂芬·霍金教授再次以其與黑洞有關的理論震驚物理學界。他在日前發表的一篇論文中承認,黑洞其實是不存在的,不過“灰洞”的確存在。黑洞最初的理論提出者卻在如今提出“黑洞不存在”的觀點再次引起全世界的關註。

在其這篇名為《Information Preservation and Weather Forecasting For Black Holes》的論文中,霍金指出,由于找不到黑洞的邊界,因此黑洞是不存在的。黑洞的邊界又稱“視界”。經典黑洞理論認為,黑洞外的物質和輻射可以通過視界進入黑洞內部,而黑洞內的任何物質和輻射均不能穿出視界。

霍金的最新“灰洞”理論認為,物質和能量在被黑洞困住一段時間以後,又會被重新釋放到宇宙中。他在論文中承認,自己最初有關視界的認識是有缺陷的,光線其實是可以穿越視界的。當光線逃離黑洞核心時,它的運動就像人在跑步機上奔跑一樣,慢慢地通過向外輻射而收縮。

但同時以美國卡夫立理論物理研究所的理論物理學家約瑟夫·波爾欽斯基 (Joseph Polchinski)為典型代表的科學家指出,根據愛因斯坦的重力理論,黑洞的邊界是存在的,隻是它與宇宙其他部分的區別並不明顯。霍金的這一觀點並沒有讓許多持懷疑態度的科學家們所信服。

霍金提出的觀點再一次讓人們顛覆觀念,但要證明這樣的說法是否正確,則需要一個理論結構來詮釋。

黑洞炸彈

2001年1月,英國聖安德魯大學著名理論物理科學家烏爾夫·利昂哈特宣布他和其他英國科研人員將在實驗室中製造出一個黑洞,當時沒有人對此感到驚訝。然而俄《真理報》日前披露俄羅斯科學家的預言:黑洞不僅可以在實驗室中製造出來,而且50年後,具有巨大能量的“黑洞炸彈”將使如 今人類談虎色變的“核子彈”也相形見絀。

人造黑洞的構想由威廉·昂魯教授提出,他認為聲波在流體中的表現與光在黑洞中的表現非常相似,如果使流體的速度超過音速,那麽事實上就已經在該流體中建立了一個人造黑洞現象。但利昂哈特博士打算製造的人造黑洞由于缺乏足夠的引力,除了光線外,無法像真正的黑洞那樣“吞下周圍的所有東西”。

俄羅斯科學家亞力克山大·特羅菲蒙科認為,能吞噬萬物的真正宇宙黑洞也完全可以通過實驗室“製造出來”:一個原子核大小的黑洞,它的能量將超過一家核工廠。如果人類有一天真的製造出黑洞炸彈,那麽一顆黑洞炸彈爆炸後產生的能量,將相當于數顆核子彈同時爆炸,它至少可以造成10億人死亡。”

捕捉星雲

2011年12月,一個國際研究小組利用歐洲南方天文台的“甚大望遠鏡”,發現一個星雲正在靠近位于銀河系中央的黑洞並將被其吞噬。

這是天文學家首次觀測到黑洞“捕捉”星雲的過程。觀測顯示,這個星雲的質量約是地球的3倍,它的位置來逐漸靠近“人馬座A星”黑洞。這個黑洞的質量約是太陽的400萬倍,是距離我們最近的大型黑洞。研究人員分析認為,到2013年,這個星雲將離黑洞非常近,有可能被黑洞逐漸吞噬。

另外,黑洞並不是實實在在的星球,而是一個幾乎空空如也的天區。黑洞又是宇宙中物質密度最高的地方,地球如果變成黑洞,隻有一顆黃豆那麽大。原來,黑洞中的物質不是平均分布在這個天區的,而是集中在天區的中心。這個中心具有極強的引力,任何物體隻能在這個中心外圍遊弋。一旦不慎越過邊界,就會被強大的引力拽向中心,最終化為粉末,落到黑洞中心。因此,黑洞是一個名副其實的太空魔王。

黑洞內部隻有三個物理量有意義:質量、電荷、角動量。

黑洞無毛

1973年霍金卡特爾(B. Carter)等人嚴格證明了“黑洞無毛定理”:“無論什麽樣的黑洞,其最終性質僅由幾個物理量(質量、角動量、電荷)惟一確定”。即當黑洞形成之後,隻剩下這三個不能變為電磁輻射的守恆量,其他一切信息(“毛發”)都喪失了,黑洞幾乎沒有形成它的物質所具有的任何復雜性質,對前身物質的形狀或成分都沒有記憶。 于是“黑洞”的術語發明家惠勒戲稱這特徵為“黑洞無毛”。

對于物理學家來說,一個黑洞或一塊方糖都是極為復雜的物體,因為對它們的完整描述,即包括它們的原子和原子核結構在內的描述,需要有億萬個參量。與此相比,一個研究黑洞外部的物理學家就沒有這樣的問題。黑洞是一種極其簡單的物體,如果知道了它的質量、角動量和電荷,也就知道了有關它的一切。黑洞幾乎不保持形成它的物質所具有的任何復雜性質。它對前身物質的形狀或成分都沒有記憶,它保持的隻是質量、角動量、電荷。消繁歸簡或許是黑洞最基本的特征。有關黑洞的大多數術語的發明家約克·惠勒,在60年前把這種特征稱為“黑洞無毛”。

宇宙黑洞

美國天文學家發現了一個源自127億年前的黑洞,不過這個黑洞距離地球非常遙遠,它是在宇宙大霹靂之後的1億年形成的。但是令所有科學家迷惑的是,是什麽力量讓這個宇宙黑洞在這麽“短”的時間內就形成了這麽大質量的黑洞的?

這個宇宙黑洞是目前全世界發現的最古老的,已經有天文科學家把它命名為了Q0906+6930,它的質量幾乎達到了整個銀河系下的恆星質量之和,而它的容量幾乎可以裝下1000個太陽系。這個黑洞僅僅比宇宙晚形成那麽幾億年“而已”,像它這樣大容量的黑洞,又這麽的古老,真的非常罕見。

宇宙黑洞隻是一個模糊的概念,它既看不到也摸不到,隻能通過X射線和伽馬射線來確定它的存在和測量它的體積和質量。但是對于這個宇宙黑洞的資料都是估量值,已經有一些天文專家準備利用它周圍的天體的X射線和伽瑪射線來精確測量它的精確資料。

類似天體

白洞是廣義相對論所預言的一種與黑洞相反的特殊天體。和黑洞類似,白洞也有一個封閉的邊界,聚集在白洞內部的物質,隻能經邊界向外運動,而不能反向運動,就是說白洞隻向外部輸出物質和能量。白洞是一個強引力源,能把它周圍的物質吸積到邊界上形成物質層。但白洞還是一種理論模型,尚未被觀測所證實。

說它“黑”,是指它就像宇宙中的無底洞,任何物質一旦掉進去,“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光無法逃逸,所以我們無法直接觀測到黑洞。然而,可以通過測量它對周圍天體的作用和影響來間接觀測或推測到它的存在。

產生

超大質量黑洞的形成有幾個方法。最明顯的是以緩慢的吸積(由恆星的大小開始)來形成。另一個方法涉及氣雲萎縮成數十萬太陽質量以上的相對論星體。該星體會因其核心產生正負電子對所造成的徑向擾動而開始出現不穩定狀態,並會直接在沒有形成超新星的情況下萎縮成黑洞。第三個方法涉及了正在核坍縮的高密度星團,它那負熱容會促使核心的分散速度成為相對論速度。最後是在大霹靂的瞬間從外壓製造太初黑洞。超大質量黑洞平均密度可以很低,甚至比空氣密度還要低。這是因為史瓦西半徑與其質量成正比,而密度則與體積成反比。由于球體(如非旋轉黑洞的事件視界)體積是與半徑立方成正比,而質量差不多以直線成長,體積成長率則會更大。故此,密度會隨黑洞半徑成長而減少。在黑洞的中心,是物理學中最為神秘的物質之一——奇點,也就是時間、空間和一切已知的物理學法則土崩瓦解的所在點。

超級黑洞相互作用

據英國《新科學家》雜志報道,天文學家宣稱,宇宙中質量最大的黑洞現已探測到,其質量是太陽的180億倍。同時,通過在這個巨大黑洞旁的小型黑洞的觀測,天文學家用較強的重力場作用現象證實了愛因斯坦的相對論。

這個宇宙最大黑洞是之前天文學所記錄最大黑洞的6倍,它的質量很大,相當于一個小型星系,它距離地球35億光年,形成于OJ287類星體的中心位置。類星體是一種極端明亮的星體,它的物體將持續螺旋狀進入一個大型黑洞並釋放大量輻射線。然而,十分特殊的是,OJ287類星體包含著兩個黑洞,除此之外還有一個質量略小的黑洞,這樣的星體組合使天文學家能夠更為精確地對宇宙中最大的黑洞“量體重”。這個較小黑洞的質量是太陽的1億倍,環繞著較大黑洞運行著,其每次運行一個周期需要12年時間。兩個黑洞之間距離很近,小黑洞環繞一周時能兩次與大黑洞周邊物質發生擠壓碰撞,每次碰撞都會導致OJ287類星體突然地變得明亮起來。在愛因斯坦的相對論觀點中,小黑洞運行時自身會旋轉著,或產生推進力,這樣兩個黑洞之間的距離將越來越近,這種現象還存在于太陽系與水星軌道之間,盡管水星軌道的作用比率較低。

時間倒流

在廣義相對論中,黑洞的事件視界無法被有限時間線上的任何一個觀察者觀測,其原因之一在于黑洞的屬性,科學家提出了黑洞全息屏理論,雖然觀察者無法在外部了解事件視界,但黑洞內部的卻可能知道整個宇宙的命運。黑洞全息屏理論的結論看上去非常有趣,我們可以從中得出未來和過去的信息。勞倫斯伯克利國家實驗室的恩格爾哈特教授認為黑洞的全息屏從某種意義上看是強引力場的局部邊界,如果這是未來的全息屏,那麽對應的黑洞,如果這是過去的全息屏,對應的是白洞。

在熱力學的角度,時空也被認為是全息圖,根據全息原理,其與給定區域內的表面積有關,也可進一步解釋為熱力學的時間方向。由于過去和將來的全息屏區域在不同的方向增加,因此時間的方向可以對應著兩種不同類型的全息屏。

星系形成

皇家天文學會的羅伯特·馬西博士說,這些研究結果顯示,銀河系在黑洞周圍形成,就像珍珠在砂石周圍形成一樣。馬西博士說:"雖然我們認為黑洞有些威脅,如果走得太近就有麻煩,但是黑洞也幫助了銀河系的形成。不光是我們的銀河系,其它的也一樣。"

他說,黑洞把物質拉在一起,第一代的恆星和銀河系可能就是這樣出現的。

德國科研機構馬克思·普朗克機構外太空物理學部的研究員說,這個黑洞距離地球27000光年。研究人員說,星體圍繞著銀河系中心運轉,這個中心的質量是太陽的四百萬倍,那毫無疑問是個黑洞。

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書名作者發行時間

《時間簡史》

史蒂芬·霍金2009年8月
《千億個太陽》魯道夫2015年7月
《第五元素——宇宙質量失蹤之謎 》勞倫斯·克勞斯

2002年11月

《黑洞與時間彎曲》基普·S·索恩1949年9月

相關公式

黑洞熵公式

A黑洞事件視界的面積

黑洞

h普朗克常數

k玻爾茲曼常量

G 牛頓引力常數

c光速

S 熵

黑洞的事件視界的半徑公式

G 牛頓常數

黑洞

M 黑洞質量

光速

R 黑洞的事件視界的半徑

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