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深入解析宇宙黑洞

2018-9-6 09:02| 发布者: 看世人| 查看: 68| 评论: 0

摘要: 在星系NGC 4261的黑洞核心想象图你可能听人说过,“我的桌子变成了一个黑洞!”你可能在电视上看过天文学节目,或者在杂志上读过关于黑洞的文章。自从1915年爱因斯坦的广义相对论预言了这些奇异的物体之后,我们就对 ...
深入解析宇宙黑洞

在星系NGC 4261的黑洞核心想象图

你可能听人说过,“我的桌子变成了一个黑洞!”你可能在电视上看过天文学节目,或者在杂志上读过关于黑洞的文章。自从1915年爱因斯坦的广义相对论预言了这些奇异的物体之后,我们就对它们产生了浓厚的兴趣。

黑洞是什么?他们真的存在吗?我们怎样才能找到它们呢?在本文中,我们将研究黑洞并回答所有这些问题!

黑洞是什么?

深入解析宇宙黑洞

黑洞的艺术想象图:箭头显示黑洞开口内和开口周围的物体运动路径

当一颗大质量的恒星死去时,剩下的就是黑洞。

你如果知道恒星是如何工作的,那么你肯定知道明亮的恒星是一个巨大的,令人惊异的聚变反应堆。因为恒星是如此巨大并由气体组成,所以有一个强烈的引力场总是试图坍缩恒星。在核心发生的聚变反应就像一颗巨大的聚变炸弹,试图引爆恒星。引力和爆炸力之间的平衡决定了恒星的大小。

随着恒星的死亡,核聚变反应停止,因为这些反应的燃料被烧掉了。与此同时,恒星的引力将物质吸入并压缩核心。当核心压缩时,它会升温,最终产生超新星爆炸,物质和辐射会爆炸到太空中。剩下的是高度压缩的、极其巨大的内核。内核的引力非常大,连光都无法逃脱。

这个物体现在就是一个黑洞,它会从我们视野中消失。由于内核的引力非常强大,所以就会在时空结构中下沉,在时空中形成一个洞——这就是为什么这个物体被称为黑洞。

核心变成了黑洞的中心部分,称为奇异点。这个洞的开口叫做视界

你可以把视界想象成黑洞的入口。一旦某物越过视界,它就永远消失了。一旦进入视界,所有的“事件”(时空中的点)停止,没有任何东西(甚至是光)可以逃脱。视界的半径被称为史瓦西半径,以天文学家卡尔·史瓦西命名,他的工作导致了黑洞理论。

知识链接:光无法逃离的物体(如黑洞)的概念最初是由皮埃尔·西蒙·拉普拉斯在1795年提出的。根据牛顿的引力理论,拉普拉斯计算出,如果一个物体被压缩到足够小的半径内,那么这个物体的逃逸速度将比光速还快。

黑洞的类型有哪些?

深入解析宇宙黑洞

克尔黑洞结构

克尔黑洞结构图:红色是事件视界,而蛋形区域则是能层(旋转黑洞的视界与无限红移面之间的区域,进入其中的物质逃出时可以获得能量 )。

黑洞有两种类型:

  • 史瓦西黑洞——非旋转黑洞
  • 克尔黑洞——旋转黑洞

史瓦西黑洞是最简单的黑洞,核心不旋转。这种类型的黑洞只有一个奇异点和一个视界。

克尔黑洞可能是自然界中最常见的形式,它之所以旋转是因为形成它的恒星是旋转的。当旋转的恒星坍缩时,核心继续旋转,并将其带入黑洞(角动量守恒)。克尔黑洞有以下几个部分:

  • 奇点——坍塌的岩心。
  • 视界——洞的开口
  • 能层——视界周围扭曲空间的蛋形区域(扭曲是由黑洞旋转引起的,黑洞旋转会“拖曳”周围的空间)。
  • 静力极限——二球体与正常空间之间的边界。

如果一个物体进入能层,它仍然可以通过从黑洞的旋转中获得能量而从黑洞中喷射出来。

然而,如果一个物体穿过视界,它就会被吸入黑洞而永远无法逃脱。黑洞内部发生了什么是未知的;即使我们目前的物理理论也不适用于奇点附近。

虽然我们看不到黑洞,但它确实有三种属性可以或可以测量:

  • 质量
  • 电荷
  • 旋转速度(角动量)

到目前为止,我们只能通过其他物体在黑洞周围的运动来可靠地测量黑洞的质量。如果一个黑洞有一个伴星(另一颗恒星或物质的圆盘),它就有可能测量这个看不见的黑洞周围物质的旋转半径或轨道速度。黑洞的质量可以用开普勒修正的行星运动或旋转运动的第三定律来计算。

我们如何探测黑洞

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哈勃太空望远镜观测的星系NGC 4261的核心

虽然我们看不到黑洞,但我们可以通过测量黑洞对周围物体的影响来探测或猜测黑洞的存在。可以使用以下效应:

  • 来自黑洞或螺旋进入核心的物体的质量估计
  • 引力透镜效应
  • 发出辐射

质量

许多黑洞周围都有物体,通过观察物体的行为,你可以发现黑洞的存在。然后,你利用对可疑黑洞周围物体运动的测量来计算黑洞的质量。

你要找的是一颗恒星或一盘气体,它的行为就好像附近有一个巨大的质量。例如,如果一个可见的恒星或盘状的气体“摇摆不定”运动或旋转,没有明显导致这种运动的原因或者有看不见的东西施加了影响,似乎是由一个物体的质量大于三个太阳质量中子星(太大),那么有可能是黑洞是导致运动。然后通过观察黑洞对可见物体的影响来估计黑洞的质量。

例如,在NGC 4261星系的核心,有一个棕色的螺旋状圆盘正在旋转。这个圆盘和我们的太阳系差不多大,但重量是太阳的12亿倍。对于一个圆盘来说,如此巨大的质量可能表明圆盘中存在一个黑洞。

引力透镜

爱因斯坦的广义相对论预言重力可以弯曲空间。这一点后来在日食期间得到证实,当时是在日食发生前、期间和之后测量恒星的位置。由于太阳的引力使恒星发出的光弯曲,所以恒星的位置发生了变化。因此,一个在地球和一个遥远的物体之间有着巨大重力的物体(像一个星系或黑洞)可以将来自遥远物体的光弯曲成一个焦点,就像透镜一样。这种效果可以在下面的图片中看到。

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这些图片显示了MACHO-96-BL5从地面望远镜(左)和哈勃太空望远镜(右)上的亮度

在上图中,MACHO-96-BL5的亮度在重力透镜从它和地球之间经过时开始变亮。当哈勃太空望远镜观察这个物体时,它看到两个物体的图像靠在一起,这表明存在引力透镜效应。中间的物体是看不见的。因此,我们得出的结论是,在地球和物体之间存在着一个黑洞。

发出辐射

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双星系统中黑洞的示意图,显示了黑洞周围的吸积盘和x射线的发射

当物质从伴星落入黑洞时,它会被加热到数百万开尔文并加速。这些过热的材料发出x射线,x射线望远镜可以探测到这些x射线,如钱德拉x射线轨道天文台。

天鹅座X-1是一个强x射线源,被认为是一个黑洞的好候选者。如上图所示,来自伴星HDE 226868的恒星风将物质吹到黑洞周围的吸积盘上。当这种物质落入黑洞时,它会释放x射线,如图所示:

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从钱德拉x射线天文台轨道拍摄的天鹅座X-1的x射线图像

除了x射线,黑洞还可以高速喷射物质形成喷射流。许多星系都被这样的喷流观测到。目前,人们认为这些星系的中心有超大质量的黑洞(数十亿的太阳质量)产生喷射和强烈的无线电发射。一个这样的例子是M87星系,如下所示:

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活动星系核的示意图,其中心有一个特大质量黑洞

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左边和下面的图像是基于地面的M87星系中心的无线光镜图像。右边的图像是哈勃太空望远镜拍摄的可见图像。注意来自M87的物质喷射。

重要的是要记住,黑洞不是宇宙真空吸尘器——它们不会吞噬一切。因此,虽然我们看不到黑洞,但有间接证据表明它们存在。它们与时间旅行和虫洞有关,在宇宙中仍然是迷人的物体。

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