黑洞是什么?能吞噬宇宙中所有天体,那么被吞噬的物体都去哪了?

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新科技17
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人类已知最快的速度是光速 ,光可以在广阔的宇宙空间中来回穿梭,也可以抵达宇宙的任何角落。可是速度如此快的光在宇宙中也有天敌,这个恐怖的存在正是黑洞。 黑洞 会将自己周围的一切物质吸入其中,连光都无法逃脱它巨大的引力


黑洞 ,是人类既陌生又熟悉的存在。到现在我们都无法弄清楚黑洞内部到底是什么模样,进入其中又会发生什么事情。 熟悉的是,我们知道它就如同它的名字一样,代表着无边的黑暗, 而人类对于黑暗有着天生的恐惧。 那么黑洞到底是什么?

黑洞 是 天文学和天体物理学当中聚焦的重点 ,一直以来大家对这一宇宙当中神奇的天体议论纷纷,最终给它下了这样一个定义,指出它的时空曲率之大使得光都无法逃脱。 光不仅意味着最快的速度,在意象当中也代表着“光明”


在人类的心中,光明总是可以打败黑暗,可是在黑洞掌握的宇宙法则中却恰恰相反, 这使它变成了宇宙当中最可怕的东西。

黑洞的构造比较简单,中心是一个奇点 ,周围则是由 黎曼几何曲率张量 构建的时空 ,这个 时空的边界具有单向性 ,换言之, 物质只能进入其中却不可能出来 。爱因斯坦的广义相对论当中认为, 黑洞是由恒星的死亡坍缩形成的,所以它的引力才会如此巨大。


如果我们按照物理性质给黑洞划分种类,那么可以将其分为 不旋转不带电荷的黑洞、不旋转带电黑洞、旋转不带电黑洞和旋转带电黑洞 ,其中第一种不旋转不带电荷的黑洞是我们最熟悉的 “ 史瓦西黑洞 ” 。


这种黑洞就符合 爱因斯坦广义相对论 当中对于黑洞的描述,它的来源正是质量很大的恒星。 一般认为,质量是太阳三倍以上的恒星,才有可能形成“黑洞” ,所以担心太阳变成黑洞的人可以放心了。

恒星级黑洞 算是黑洞家族当中质量最小的了,在不少星系当中存在着 巨型黑洞, 这些黑洞的质量是 太阳的99万倍到400亿倍之间。 以我们对于天体大小的想象力,很难想象这种黑洞到底有多大,而显而易见的是, 质量越大的黑洞其引力就越强,有时甚至可以驱使一整个星系旋转。 不少科学家就认为, 在 银河系 的中心存在着这样一个黑洞。


以上还只是这些年来人类对于黑洞的推测, 在黑洞的背后还有无数尚未解开的谜题。 对于宇宙中这样一个庞然大物我们都很畏惧,因为尚且不能快速有效地观测到它,这就意味着我们可能一直都在靠近它却不自知。 出于对黑洞引力吞噬的恐惧,人类渴望找到 探索 出 黑洞 的演化进程。


既然黑洞可以吞噬宇宙中的所有天体, 那么被黑洞吞噬的物体都去哪里了?

在前文中描述黑洞的定义时有提到这样一点, 黑洞 会吞噬周围的所有物质,哪怕是光都无法逃脱,就更不用说运动很慢的天体了。 因此,如果有天体在黑洞附近,那么它们的命运就是板上钉钉的事情。


可是,这些被黑洞吞噬的天体都去哪里了呢? 按照黑洞单向膜只进不出的构造来说,这些天体应该都被它“消化”了, 那么在这样无休止的吞噬之下,黑洞就会无限变大吗?假如黑洞真的可以无限变大, 那么我们的宇宙是不是迟早也会被“ 巨型黑洞 ”完全吞噬?


以上这些问题,不仅普通人会感到疑惑, 其实科学家们这些年也被它们所困扰 。所幸在坚持不懈地 探索 之下,我们还是了解了一二。如果说爱因斯坦的相关理论为我们打开了 探索 宇宙的全新视角, 那么霍金作为后起之秀,就是解开前人假设和谜题的“解密人”。

基于黑洞的单向性 ,过去我们总认为它是只出不进的。但是1974年时, 霍金就将量子理论应用于黑洞的研究,至此提出了一种全新的概念,也就是 “ 黑洞辐射 ” 。从辐射一词就可以看出,霍金眼中的黑洞不再是“只出不进”的饕餮, 而是能通过热辐射释放能量,渐渐缩小消失的“正常天体”。


霍金蒸发效应计算黑洞的寿命与其质量 的关系式是这样的

霍金的黑洞辐射理论是基于 狄拉克的“ 真空量子理论 ”所提出的 ,他认为在黑洞周围有着 无数护卫反粒子的虚粒子对 。这些正、反粒子在相遇时可能会被吸入或者湮灭,而其中的正能态粒子是可以逃出黑洞的, 这些逃出黑洞的粒子就形成了所谓的辐射。


因此,按照霍金黑洞辐射的理论。 那些被 黑洞吞噬的天体 ,会以热辐射的方式被释放出来 ,但是显然即使能出来,也是数万亿年以后了,毕竟黑洞的热辐射是很慢的。 并且以热辐射方式出来的“天体”,早已失去了原来的模样,这是因为早在进入时它就已经被扯碎了。


可以看出, 在霍金看来黑洞并不会无限变大,它是有消亡的那一天的 ,但是以人类短暂的一生来说,是永远看不到的。并且, 进入黑洞的那些物体总会以另一种形式重现宇宙,不过形态早已发生了变化 。但是不得不说,霍金的 黑洞辐射 理论中,粒子的动量和位置都不能同时确定, 因此还有许多待证实的部分,所以我们并不能将其当做确定的理论


人类对于黑洞的了解还是太少了,所以大多数的理论都具有推测性质,这些理论可能要等几十年甚至百年之后才会得到证实。但不论怎样, 黑洞客观存在的事实已被证明,它并不是“神学鼓吹者”所说的神明居住的高级维度。

在不少人的认知当中, 黑洞 是在爱因斯坦提出广义相对论之后才出现的,这种观点其实比较片面。 因为人类早在1783年时就已经意识到了宇宙当中存在着黑洞,不过其对黑洞的称呼有所变化。


英国地理学家 John Michell, 在1783年写给亨利·卡文迪什的一封信中提出这个想法:

12年之后, 拉普拉斯也指出宇宙中有一个天体可以吸引光线 ,并且在著作《宇宙体系论》当中提出了相关计算公式,这时的黑洞在人们眼中还是一个“不可见星”。不过,在广义相对论提出之前, 我们是无法正确描述黑洞的,可以说广义相对论是人类得以研究分析 黑洞 的基础。


德国天文学家卡尔·史瓦西正是基于 爱因斯坦的 引力方程 , 提出了当物质集中于空间一点,其周围会形成“视界” ,而这个视界存在 单向性 ,只要进入就不可能再逃出。我们前文中也有提到有关于史瓦西黑洞的相关概念, 在这之后,“黑洞”这一名称才真正被启用。


人们在未来的100多年中,对黑洞展开了无数研究,在科学家的努力之下我们发现了更多关于黑洞的信息。 比如说除了 史瓦西黑洞 以外,学界还确定了 克尔纽曼黑洞 等等 。相较于17世纪和18世纪对黑洞的模糊描述而言,现在变得更加具象化了。更不用说, 霍金的黑洞辐射理论,挑战了黑洞“只出不进”的基本性质


2019年4月21日时 ,人类获得了首张黑洞照片。这张照片中的 黑洞位于M87星系,其质量约为太阳的65亿倍,距离地球5500万光年左右。 从照片中可以看出,黑洞的中心正是漆黑一片,而发光的是它周边的 吸积盘

值得一提的是,这张照片并不是由某个设备拍摄得到的,而是由全世界 近10台的 毫米波望远镜 进行联网观测后才得到的,可见拍摄黑洞是一件极为困难的事情。


在拍摄之前的准备工作也很繁冗, 因为黑洞本身是很难被探测到的,如果探测都成问题又怎么可能完成拍摄呢? 所以,找到黑洞的所在也很重要,那么一般会通过什么方法找到黑洞呢?

可以利用引力效应、辐射效应、密度效应和 引力透镜 等方式 ,以辐射效应为例,当黑洞在利用自己的引力吸引周围的物质时,这些物质会产生碰撞,从而辐射出各种电磁波。 其中的X射线还可以形成射线源,所以我们可以追寻着X射线源揪出藏匿在它背后的黑洞。


黑洞作为宇宙当中横行的霸主,不仅可以吞噬所有的天体,还会在发展的过程中通过合并变大。 白洞 正好与之相反,这一假设天体也是基于广义相对论提出的,它的一切性质和基本特征都与黑洞完全相反。


因此也有不少科学家认为, 黑洞的背后可能存在着白洞 。白洞会被黑洞吞噬掉的天体在喷射回宇宙当中,按照这种说法来看, 白洞 是“只出不进”的 。不过,虽然我们都期待着宇宙当中有白洞这种存在,毕竟它可以将黑洞吞掉的东西重新返还给宇宙。但是这些年里, 我们从未探测到类似“白洞”的天体,所以至今它都活在人类的假设中


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