黑洞真相
黑洞真相黑洞从何而来,它们缘何如此重要?下面是黑洞的十大真相——对于这些拥有致命诱惑力的天体而言,这只不过是一点皮毛而已。
真相一:无法直接看到黑洞。
黑洞真的很“黑”——没有光可以从它那里逃脱——所以我们也无法用仪器直接感知,不论用什么电磁辐射手段(光,X 射线,无论什么),都一样。打开黑洞观测秘密之门的钥匙是观察黑洞对周围环境的影响。例如,一颗碰巧离黑洞太近的恒星。黑洞会拉扯这颗恒星并把它撕碎。当物质从恒星脱落坠向黑洞时,它们的速度会越来越快,温度越来越高,同时释放出强烈的 X 线辐射。
真相二:小心!我们银河系内似乎有一个黑洞。
接下去的一个问题自然是黑洞的危险性有多高,在眼下,地球是否有被它吞噬的危险?答案是否,天文学家说的。虽然在我们银河系中心就可能隐藏着一个巨大的超大质量黑洞,但幸运的是,我们离这头怪兽很远——我们的位置在星系中心到星系外缘间大约三分之二处——虽然相距遥远,但是我们仍然可以切实地观测到黑洞带来的影响。这个黑洞的质量是太阳的 400 万倍,周围环绕着温度极高的气体。
人马座 A 的红外(红色和黄色,来自哈勃空间望远镜)和 X 射线(蓝色,来自钱德拉空间望远镜)照片。X 射线数据由 NASA/UMass/D.Wang 等提供,红外数据由 NASA/STScI 提供。
真相三:恒星的死亡会产生恒星级黑洞。
是的,但是这颗恒星的质量必须超过太阳的 20 倍。太阳的临终期将会比较平静;它在核燃料耗尽后,会慢慢黯淡,最终变成一颗白矮星。但对于质量大得多的恒星来说,结局就不一样了。怪兽级的恒星在燃料耗尽后,存在于它内部的,能够让恒星保持稳定外形的自然压力,终将敌不过其本身产生的引力。一直靠核反应维持的压力在瞬间崩溃,引力猛然胜出,使恒星的内核发生坍缩,并将其他结构层抛向外太空。这就是超新星爆发。残留的恒星内核将坍缩成奇点——一个密度无穷大,但是几乎没有体积的点。也就是黑洞。
黑洞的大小不一。
小的黑洞和鸽子一般大,大的则可以成为银河系中心的主宰。宇宙中至少存在着三种不同类型的黑洞。原初黑洞是最小的一种,它们小可如原子,大可比高山。恒星级黑洞最常见,它们广泛地分布在星系之中,质量可以达到太阳的 20 倍。第三种黑洞是怪兽级的,它们通常位于星系的中心,被称为“超大质量黑洞”。这样的黑洞质量至少是太阳的百万倍。这些怪兽的形成机制仍在研究中。
天鹅座 X-1 示意图,这是一个恒星级黑洞,距离我们约 6070 光年。
https://p3-tt.byteimg.com/origin/pgc-image/a7742bd6f2d143a4b4d1067e9fb83038?from=pc
黑洞有很多种。有些已在一定程度上被观测证实,甚至还拍了照片,而有些还只停留在理论上。
对于理论上的黑洞,物理学家依然十分感兴趣,因为它们的数学结构反映了物理学中合乎逻辑的可能,
它们身上的一些特点也有可能出现在现实黑洞身上。
所谓的带电黑洞(electrically charged black hole)就是这样一种理论模型。
它们和现实中的自旋黑洞在数学结构上有很多相似之处。
带电黑洞理论认为,它们的表面覆盖着一层量子场的“迷雾(haze)”。
这层“迷雾”在引力的作用下与黑洞表面(视界)交织在一起,同时又被黑洞的电斥力向外推。
近日arXiv.org上的一篇论文还认为,这层“迷雾”具有超导特性,
可将其视为一种全息的超导体(holographic superconductor)。
带电黑洞的视界内部,有一个所谓的内视界(inner horizon),是一个充斥着强量子能的区域。
而内视界里面是一个虫洞,理论上可以将宇宙中相隔遥远的两个区域连接起来。
带电黑洞的视界和内视界在一定条件下是可穿越的。但在这种条件下,黑洞内部的虫洞会瓦解。
由于这类黑洞表面的超导特性,我们在穿越其视界和内视界时,会经历空间的往复振荡,亦即所谓的“约瑟夫森振荡(Josephson Oscillations)”。而由于虫洞已瓦解,当我们靠近黑洞中心时,还能看到一种难以描述的奇异景象。
在那里,空间会在不同的方向上以不同的速度拉伸和畸变。这种畸变会在越来越小的尺度上一次又一次地被触发,无限循环,形成一个令人眼花缭乱的分形宇宙(fractal universe)。
这个分形宇宙的中心就是奇点,一个密度无限大的点,集中了黑洞从外部世界攫取的所有质量。
奇点是已知物理学的终结者,一切定律和法则,在它那里都是无效的,因此也是不可描述的,就连它在现实世界中的投影是否有体积都是个谜。
作为天体物理学中的一座圣杯,黑洞让无数天才科学家为之折腰。黑洞的内部结构究竟为何我们无从知晓,但是借助数学,我们却能窥知一二。
頁:
[1]