黑洞宇宙中到底有没有黑洞?如果有,茫茫宇宙中黑洞又会在哪呢?直至今日,人类虽然无法直接观察到黑洞,但人们对黑洞的存在却是确信无疑的。
“黑洞”概念的起源
1783年,英国科学家约翰·米歇尔提出:存在比太阳质量更大的恒星,其逃逸速度超过光速,因此任何光都可以被这种恒星的引力拖拽回去,在那种情况下,连光线都看不到。米歇尔将这种恒星叫做“暗星”,就是现在所谓的“黑洞”。
1795年,法国科学家皮埃尔·拉普拉斯将光速的有限性与经典力学中的最大逃逸速度相结合,第一次提出了“黑洞”的概念,他也因此被称为“黑洞”之父。
1915年,爱因斯坦提出广义相对论,这一理论首次将引力解释成时空的弯曲,即任何有质量的物体都会使其周围的时空产生弯曲,这种时空弯曲进而会影响其它物体的运动。也就是说从本质上来看物体之间相互吸引其实是因为时空是弯曲的,这就好比在一块平整的布上放一个篮球,篮球会使其周围的布面凹陷下去,而当我们在篮球的旁边再放一个小球时,小球便会顺着布面凹陷的方向运动,直至和篮球发生碰撞。在这里,如果把布面看成时空的话,布面的凹陷就是时空的弯曲,而小球的运动就可以看作是时空弯曲的结果。
1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个严格解,从这个解中我们可以得到,如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异的现象,即在质点周围存在一个界面——“视界”,一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”就是我们所说的黑洞。
黑洞,是人们对宇宙空间一个区域的形象称呼。如果宇宙中确实存在黑洞的话,那才是名副其实的黑洞,不但物体掉进去会消失得无影无踪,就连光也休想从那里逃逸出来,它就像一个无底洞,永远也填不满,因此它也被称为“星坟”。
赫罗图黑洞的前世之谜
丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素分别于1911年和1913年提出赫罗图。赫罗图表示的是恒星的光谱类型与光度的关系,其中图像的纵轴是光度与绝对星等(光度是指恒星每秒辐射出的总能量,绝对星等是指把恒星放在距地球32.6光年的地方所得到的亮度),横轴则是光谱类型或恒星的表面温度。恒星的光谱类型可分为O、B、A、F、G、K、M七种,该光谱类型与恒星表面温度有一定的对应关系,即O到M的光谱类型对应的恒星表面温度依次递减。根据赫罗图我们可以看出主序对角线中恒星的亮度越大,其表面温度就越高。
天文学家们以赫罗图为基础,认为恒星一生经历了星云、原恒星、主序星、红巨星等演化过程。红巨星继续演化,就会变成了“铁心”的天体。而当铁核质量达到了2个太阳质量以上时,就会成为“黑洞”。
除了由恒星演化而成的黑洞之外,还有一种是人们尚不清楚形成原因的超大质量黑洞,它的质量可达到太阳质量的数十亿倍。上世纪60年代,科学家们在宇宙中发现了一些特殊的天体,它们看起来和恒星很相似,但又不是恒星,于是科学家们将它们命名为类星体。类星体距我们非常远,但它们发出的光却特别亮,而且和它们具有的能量相比,它们的体积显得异常小。据此,很多科学家认为类星体的中心有一个超大质量黑洞,物质在被吸入类星体中心时会高速运动,同时物质与物质之间也会靠得越来越紧密,进而物质之间相互摩擦,产生热量,发出很亮的光。
超大质量黑洞黑洞的今生之貌
黑洞的面貌
你大概还没有体验过,今天如果你在百度里搜索“黑洞”一词,百度就会立即呈现出一种黑洞影响力的情景:一个巨大的黑洞占据了屏幕,把屏幕中所有的东西都吸走了。
那么,黑洞面貌是怎样的呢? 在人类社会中,有些人过着隐士般的生活,喜欢独居,希望别人不要过多地探询有关他们的事情。类似地,在宇宙里,黑洞也是一个隐居者。理论上讲,黑洞本来是一颗恒星,然而它最终没有熄灭或爆炸,而是像做塌了的蛋奶酥一样,坍塌成一个小小的、不可逃逸的奇点。在《星际穿越》影片中,黑洞模型是一道光轮环绕着里面的球形大漩涡,看起来似乎既从上面弯过去,又从下面弯过来。
百度“黑洞”特性黑洞的种类
目前,对于不带电荷的黑洞,科学家认为有两类:史瓦西黑洞和克尔黑洞。
在宇宙空间里,史瓦西黑洞居多数,所以也称为“寻常黑洞”。史瓦西黑洞是由较大的恒星到寿命晚期时,核燃料消耗殆尽,辐射压急剧减弱,并在星体自身引力的作用下坍缩,最终演化为“寻常黑洞”。科学家不清楚史瓦西黑洞本身是不是球体,但它外面的视界是球体。
克尔黑洞是在史瓦西黑洞的基础上,让黑洞旋转起来得到的。不同于史瓦西黑洞,克尔黑洞内部结构比较复杂。克尔黑洞中心是一个奇环,有内外两个视界。内视界为黑洞奇异性的界限,而外视界则为不可逃脱的界限。克尔黑洞的最外围还有一个界限称为静止界限,也称“静界”。静界是克尔黑洞旋转时拖动着周围的时空一起转动产生的,该处时空的旋转速度等于光速。静界和外视界之间的夹层称为能层,所有进入“能层”又逃逸的物体本质上是从黑洞中获取了能量。
克尔黑洞可能与白洞连接,因此,进入克尔黑洞的物体只要不撞在奇环上就有可能从白洞出来。由此看见,如果你执意要进入黑洞体验一番,那么请选择克尔黑洞,因为或许你能够从白洞出来。
计算机模拟的史瓦西黑洞克尔黑洞黑洞的影响力
关于黑洞的影响力,我们可以通过一个例子来解释。现在设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的圆石头代表黑洞,显然,这将大大影响床面,床面不仅会弯曲,甚至还有可能断裂。类似的情形会在宇宙中出现,若宇宙中某处存在黑洞,则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的撕裂称为“时空的奇异性”或“奇点”。
被黑洞吸入不能再返回的边界叫做“黑洞视界”,这个“黑洞视界”在一个被称为“史瓦西半径”的一个球壳上。“史瓦西半径”是任何具有重力的临界半径,其长短只与物体的质量成正比,一个重力天体的半径只要小于其“史瓦西半径”就会发生塌陷,进而被称为黑洞。地球的“史瓦西半径”约为9毫米,而太阳的“史瓦西半径”约为3公里。如果有一个太阳质量的黑洞,那么只要距离这个黑洞中心3公里以外,就没有危险,就算飞船从黑洞旁边飞过去也不会被抓住。
德国天文学家卡尔·史瓦西提出物体的史瓦西半径的概念黑洞辐射
任何进入黑洞的东西都不能逃逸出去,但科学家又认为黑洞会慢慢地释放其能量。这又是怎么回事呢?
早在1970年,科学家们就发现黑洞和热力学之间存在某些关联:当物质落入黑洞后,黑洞的视界表面积会增加,而将这条性质与热力学定律相对比就会发现,黑洞的视界表面积和热力学中的熵很是相似。那视界表面积和熵究竟有什么关系呢?1972年,物理学家雅各布·贝肯斯坦还是一名研究生,他提出视界表面积就是黑洞熵的度量,当一个有熵的物体落入黑洞时,黑洞的视界表面积就会增加。同时,贝肯斯坦还指出一个黑洞的熵是有限的,而这表明,黑洞处在有限温度的热辐射平衡状态,但是当时人们认为黑洞不会向外发出任何辐射。直至1974年,著名物理学家霍金证明,黑洞具有与其温度相对应的热辐射,称为黑洞辐射。并且霍金提出:黑洞的质量越大,温度越低,发射过程就越慢,反之亦然。
非星黑洞
霍金指出,宇宙中还存在另一种类型的非星黑洞。大爆炸期间,宇宙处在极高的温度和极大的密度状态,那时有可能产生为数众多的微型原生黑洞。但这种微型黑洞和大质量黑洞不同,它们不断地损失质量直到消失。在一个微型黑洞的附近,可以形成诸如质子和反质子这类粒子。当一个质子和一个反质子从微型黑洞的引力中逃逸,它们就会湮灭并产生能量。如果这一过程一再重复,微型黑洞则耗损掉全部能量,最终就是黑洞被“蒸发”了。 人类自始至终都在科学探索方向奋力前行,关于黑洞,人们目前掌握的还只是少许碎片。我们相信,当人们把散落在宇宙中的碎片拼接完整时,我们离宇宙的真相也就不远了。