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?
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”。
按 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 。