黑洞的形成与演化过程 黑洞真的存在吗?

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一、黑洞的形成与演化

1783年,英国科学家约翰·米歇尔提出,存在一种具有超大质量和超高密度的恒星,这种恒星的引力是如此之强,甚至连光线都无法从它内部逃脱。到了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,这也是传统力学的引力所能带来的最富有创造力的结果,因此他也被称为黑洞之父。科学经过一个多世纪的发展,到了1916年,德国天文学家史瓦西求出了爱因斯坦的广义相对论方程的严格解。通过这个解我们可以推测出,宇宙中可能存在一种尚未被观测到的引力巨大的天体,也就是后来我们所说的黑洞。

黑洞被看做是恒星最终的宿命,像是恒星的坟墓,所以也被称为“坟星”。黑洞可以说是宇宙中最不为人知的天体,因为它无法发出任何可见光,对人的各种观测手段来说,它都是一片漆黑的,所以被叫做黑洞。但是在成为黑洞之前,它曾经是宇宙中最明亮的天体。在恒星的生命快要结束的时候,会发出最耀眼的光芒,之后只留下一个坍缩的核。这个很小的核却拥有超级强大的吸引力,连光都无法逃出它的范围,所以无法观测到它。它不但是不可见的,还会把所有靠近它的物质都吞噬掉。

可以这样简单地描述黑洞形成的过程。一般来说,恒星中只含有氢元素,这些氢原子每时每刻都在发生核聚变和核裂变。因为恒星自身具有很大的质量,所以内部的核反应产生的能量与引力达到一种平衡,这就让恒星能够保持稳定。因为核反应,氢原子的结构也会发生变化,并形成新的氦原子。氦原子继续参加核聚变和裂变,再次形成其他的新元素。在恒星的生命只剩下最后的十分之一的时候,温度就会变得越来越高,不断地释放出巨大的能量。因为恒星本身的质量十分巨大,所以有强大的引力,恒星自身释放出的能量与引力刚好达到平衡。但是当恒星的能量快要消耗完的时候,就无法与自身的引力抗衡了,在巨大的引力作用下,恒星开始崩溃,并向内部剧烈坍缩。

 

按照元素周期表中原子量的顺序,各种新的元素不断形成,直到铁元素出现为止。因为铁十分稳定,所以不会继续发生核反应,当恒星内部出现足够多的铁元素时,恒星就无法释放足够多的能量来与自身的引力达到平衡,这时它就开始坍缩。如果它的质量足够大,就会变成黑洞。黑洞本身的强大引力会将它周围的所有物质都吸进去,像一个无底洞一样疯狂地吞噬。宇宙中的尘埃和物质不断向黑洞周围聚集,形成一个旋涡状的物体,它被称为吸积盘。

黑洞产生的这个过程,与中子星的形成过程有些类似。它们都是大质量恒星在自身的引力作用下发生坍缩而形成的。只不过,中子星是在恒星坍缩到其中的所有物质都变为中子时,坍缩过程就停止了,变成了一个中子紧密结合成的质量超大的星球。但是黑洞坍缩的过程会不断持续,中子也会被巨大的引力撕碎,变成更为基本的粒子,最后成为一个密度极大的物体。因为它的引力太过巨大,表面的第二宇宙速度甚至超过了光速,所以连光都无法逃脱它的掌控。所有在它周围的物体都被它的引力吸过去,所以黑洞可以形象地被看成是宇宙中的吸尘器。

从某种意义上来说,恒星与黑洞是相似的。二者都有一个虽然体积很小,但是十分致密的核。但是它们还是存在区别的。恒星会释放出能量,这些能量会传递到它周围的宇宙物质和其他天体上,从而让我们能够得以感知它的存在和运动。这种影响的范围被认为是恒星的组成部分,也就形成它的体积。所以从我们观察的角度来说,恒星的体积就很大。但是黑洞则不同,除了一个很小的核之外,我们几乎觉察不到它周围的物质。对于它所释放出的能量,我们的认识还十分不足,所以在我们的感知范围内,黑洞很小。

这就像一个火柴头一样,当它点燃之前看起来很小,但是燃烧时看起来很大。从某种距离上看,我们会把发光的部分也看做是火柴头本身,所以它就显得更大了。而且一个物体越明亮,给我们的感觉就更大。比如照相机上的闪光灯,本来是一个很小的机构,但是当它发出闪光,我们在一定的距离上就能看到一个巨大的光团。如果我们并不知道闪光灯的本来面貌,仅仅看到这个光团,那么我们一定会认为它的体积很大。所以从这点上来看,我们可以知道,虽然恒星发出的光很明亮,并不能说明它真的很大。而黑洞尽管无法发光,也并不说明它就很小。因为它们所处的运动状态不同,所以会带来不一样的视觉效果。简而言之,恒星就是燃烧的黑洞,而黑洞就是熄灭的恒星。

一些质量较小的恒星,比如我们太阳系的太阳,当它内部的能量耗尽之后,质量如果小于1.44M,就会变成一个白矮星。这些恒星收缩到原来半径的十分之一到百分之一时,中心的密度已经十分大,足以抵消自身的引力,这时将不再收缩。恒星剩余的热量会使它发光,随着热量的不断消耗,表面的温度也越来越低,直到熄灭,再也无法被我们观测到。

恒星的能量耗尽之后,如果它的质量高于1.44M但是低于2M,那么就会演变为中子星。质量更大的红巨星在收缩到一定程度时会发生爆炸,这就是超新星爆发。超新星会将外层的物质向外释放,形成一片星云。它的内核则会继续收缩,最后成为中子星。

当恒星内部的能量消耗完后,它的质量超过了2M,那么就无法达到最终的平衡状态,只会不断地向内坍缩。根据现有的知识我们无法确定它的密度,但是理论上它会越来越致密,最后密度到达临界点。这时,它的质量和密度是如此之大,产生的引力能够抓住一切粒子,包括光都无法逃出它的引力范围。这时,它就成了一个黑洞。

从20世纪60年代开始,科学家们陆续在宇宙中发现了一系列特殊的天体。这些天体从太空望远镜拍摄的照片中看起来与恒星有些类似,但又绝对不是恒星。它们的光谱和星云相似,但和星云又有区别。无线电辐射像是星系,但实际并不是星系。对这些“四不像”,科学家称它们为类星体。这个发现与宇宙的微波背景、脉冲星和星际分子一起成了当时天文学界的四大发现成果。

类星体离我们都非常遥远,而且具有很高的亮度。它们的亮度能够达到普通星系的1000倍,所以是宇宙中最明亮的天体。这些类星体发出的光即便远离我们100亿光年之外,也足以让我们看到。而且它的奇特之处在于,尽管它的亮度超过了普通星系,但是普通星系的直径普遍超过了10万光年,而类星体的直径只有1光天。与它具有的能量相比,它的体积实在是太小了。

类星体的组成部分包括一个致密的核和外部的气晕。它的核体积很小,但是有巨大的质量,能够不断向外释放能量,激发外层气晕发光,产生叠加强度很大的辐射。很多科学家认为,类星体中的能量,是由位于它中心的黑洞吸收外部物质时产生的引力能提供的。黑洞凭借超高的引力,将它附近所有的物质都吸到自己周围,形成旋涡状的吸积盘。吸积盘靠近黑洞一侧的物质不断落入黑洞范围内,产生强大的能量辐射。这些辐射会造成物质的喷流,而且因为磁场的作用,只能沿着与吸积盘平面垂直的方向射出。这些能量通常是从星系的两端向外发射的,可能是从黑洞的两极逃逸出来的。因为黑洞周围的吸积盘的阻挡,所以能量不可能从别的方向向外逃逸。核心发出的辐射和星系中的物质发生相互作用,能够造成很细的能量喷流,并且能够向外发出无线电波。当我们正好对着这个物质喷流的方向,观察到的现象就是类星体。

 

类星体的中心有一个大质量的黑洞,在黑洞的吸积作用下,物质旋转着被吸入黑洞中,这些旋转中的物质形成了一个吸积盘。吸积盘中的物质本身就是带电粒子,因此吸积盘能够产生磁场,磁场方冲射到更远的地方,同时也把磁场带到更远的地方,这样一来,磁场的作用就会继续加速带电粒子的运动,产生强烈的辐射,形成巨大的射电瓣。

当类星体中的物质向位于中央的黑洞坠落时,和物质的质量对应的引力能转化为电磁辐射,其中包括可见光和X射线。这个能量转化过程的效率很高,落入黑洞的物质的十分之一都转变为了能量。这个星系中央的巨大黑洞具有相当于1亿个太阳的庞大质量,是在周围的星系中具有的恒星总质量的千分之一。

一般来说,一个类星体每年要吞掉相当于1000个中等大小的恒星质量的物质。通常类星体与太阳系之间的距离都十分遥远,所以我们现在观测到的现象,其实是发生在数亿年前的了。也就是说,这些与黑洞有关的现象发生在宇宙刚诞生不久的时候。所以科学家们判断,这些类星体就是现在我们能看到的宇宙的早期模样。

二、发现过程

黑洞在宇宙中扮演了什么样的角色呢?就像我们地球的自然界中存在微生物,能够分解物体一样,黑洞把它在宇宙中遇到的所有物质都吸入体内,然后分解为基本粒子。这些基本粒子就成了宇宙循环的基础。黑洞可以被看做一个巨型的搅拌机,其中的物质都被磨碎了,它中心那个磨碎一切的点就被称为奇点。在这个奇点上,我们已知的所有定律都不再发挥作用。

在大约137亿年前,也就是宇宙诞生时,所有的物质都在一个极其致密的点上,这里不存在时间和空间的概念。之后,这个点向外膨胀并释放物质,这就是宇宙大爆炸。在这一瞬间,宇宙的时间曲率和密度都是无穷大的。在这个点上,所有的定律都是无效的。从数学意义上讲,一个无穷大的数是无法处理的。在奇点之前即使存在事件,也无法对奇点爆炸后发生的事件产生影响。所以在这之前发生的任何事都无法作为爆炸后的依据。也就是说,在宇宙大爆炸之前,时间没有意义。奇点是宇宙大爆炸的原初起点,宇宙中的一切物质都是爆炸产生的,时间也是从这一刻开始的。

黑洞具有一个边界,叫做视界。这是黑洞与外部的分界线,越过这个边界,就进入了黑洞内部,并无法逃离黑洞的引力范围。如果有人不幸落入了黑洞,他将能够看到光也被吸入了黑洞的旋涡。按照广义相对论中的理论,黑洞视界内部的物质,会在黑洞本身的巨大引力下不断坍缩,最后形成一个奇点。宇宙的膨胀过程,可以看做是黑洞坍缩过程的镜像。

1916年,德国科学家史瓦西求出了爱因斯坦的广义相对论方程的严格解。这个解能够解释星球天体的物质分布,并提出了史瓦西半径的概念。这个半径是球状对称且无法自转的物体的重力场的严格解。史瓦西半径在物理学中起到了十分重要的作用,尤其对广义相对论和黑洞领域的研究有巨大的影响。

 

一个球体的史瓦西半径,是与它本身的质量成正比的。我们所处的太阳系的恒星——太阳的史瓦西半径,大约是3000米。而我们居住的地球,史瓦西半径仅仅有9毫米。如果一个物体的半径小于史瓦西半径,就成了一个黑洞。那些无法自转的黑洞,在史瓦西半径上会形成一个视界。在能够自转的黑洞上,情况就有些不同了。我们的银河系中心存在一个超大黑洞,这个黑洞的史瓦西半径达到了780万千米。

通过史瓦西解我们能够知道,如果一个天体的半径小于史瓦西半径,那么它就会在自身重力作用下开始向内坍缩。这个天体的时空弯曲十分严重,以至于连光线都无法逃出。所以,小于史瓦西半径的任何天体,都会最终坍缩到它中心的奇点上。

因为黑洞的引力如此巨大,所以连光线都无法逃出它的引力范围,那么我们要如何才能发现黑洞呢?科学家们想出了很多办法,其中一个很重要的方法是X射线源辨认法。X射线是宇宙中普遍存在的一种射线,肉眼虽然无法直接观测到,但是可以通过仪器探测到。一些人造卫星上携带了能够探测到X射线的仪器,这些仪器的一种重要作用就是寻找黑洞发出的X射线。到目前为止,我们已经通过这种方式发现了很多X射线源,其中一个位于牛郎星和织女星之间的天鹅座射线源有很大的概率是黑洞。

黑洞为什么会发出X射线呢?当物质被吸入黑洞时,会首先到达黑洞的边缘。大量物质在黑洞边缘形成一个旋涡状的吸积盘,其中的物质因为剧烈摩擦而释放出热量,并发出X射线。这些X射线是物质进入黑洞之前留下的最后的痕迹。但是,在中子星和白矮星周围同样也会发生这样的现象,所以我们要做的就是区分两者之间的差别,这就需要进一步分析X射线源的质量。如果它的质量能够达到或者超过太阳质量的3倍,那么就极有可能是一个黑洞。我们之前提到的天鹅座射线源就符合这个标准,它的质量约为太阳的8~10倍。

还有一种方法是通过引力透镜现象来发现黑洞。黑洞因为具有强大的引力,来自它附近的天体发出的光会产生一定的偏折,这种情况会让天体被放大或者变形,所以被称为引力透镜。通过这一现象,我们也能够发现一些隐藏在宇宙中的黑洞。

来源:UFO中文网    时间:2017年11月22日

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