黑洞真相

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黑洞真相

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。