黑洞

       
  黑洞,天文学名词。所谓“黑洞”,是引力场很强的一种天体,就连光也不能逃脱出来。等恒星的半径小到一特定值(天文学上叫“史瓦西半径”)时,就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时,恒星就变成了黑洞。说它“黑”,是指它就像宇宙中的无底洞,任何物质一旦掉进去,“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光无法逃逸,所以我们无法直接观测到黑洞。然而,可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。

黑洞的产生

  黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程;恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩,发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高密度而产生的力量,使得 任何靠近它的物体都会被它吸进去。
  亦可以简单理解:通常恒星的最初只含氢元素,恒星内部的氢原子时刻相互碰撞,发生裂变、聚变。由于恒星质量很大,裂变与聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡,以维持恒星结构的稳定。由于裂变与聚变,氢原子内部结构最终发生改变,破裂并组成新的元素——氦元素。接着,氦原子也参与裂变与聚变,改变结构,生成锂元素。如此类推,按照元素周期表的顺序,会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成。直至铁元素生成,该恒星便会坍塌。这是由于铁元素相当稳定不能参与裂变或聚变,而铁元素存在于恒星内部,导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡,从而引发恒星坍塌,最终形成黑洞。  
  跟白矮星和中子星一样,黑洞可能也是由质量大于太阳质量20倍的恒星演化而来的。  
  当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢),由中心产生的能量已经不多了。这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,直到最后形成体积小、密度大的星体,重新有能力与压力平衡。
  物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积很小、密度趋向很大。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径),巨大的引力就使得即使光也无法向外射出,从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

黑洞的表现

  恒星的引力场改变了光线的路径,使之和原先没有恒星情况下的路径不一样。光锥是表示光线从其顶端发出后在空间——时间里传播的轨道。光锥在恒星表面附近稍微向内偏折,在日食时观察远处恒星发出的光线,可以看到这种偏折现象。当该恒星收缩时,其表面的引力场变得很强,光线向内偏折得更多,从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难。对于在远处的观察者而言,光线变得更黯淡更红。最后,当这恒星收缩到某一临界半径时,表面的引力场变得如此之强,使得光锥向内偏折得这么多,以至于光线再也逃逸不出去 。根据相对论,没有东西会走得比光还快。这样,如果光都逃逸不出来,其他东西更不可能逃逸,都会被引力拉回去。也就是说,存在一个事件的集合或空间——时间区域,光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。这样的区域称作黑洞,将其边界称作事件视界,它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。  
  与别的天体相比,黑洞十分太特殊。人们无法直接观察到它,物理学家也只能对它内部结构提出各种猜想。而使得黑洞把自己隐藏起来的的原因即是弯曲的空间。根据广义相对论,空间会在引力场作用下弯曲。这时候,光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播,但相对而言它已弯曲。在经过大密度的天体时,空间会弯曲。光也就偏离了原来的方向。
  在地球上,由于引力场作用很小,空间的弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围,空间的这种变形非常大。这样,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落入黑洞中消失,可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样,这就是黑洞的隐身术。  
  更有趣的是,有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球,它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”,还同时看到它的“侧面”、甚至“后背”。

黑洞分类

  分类方法一:
  1.超巨质量黑洞
  到目前为止可以在所有已知星系中心发现其踪迹。质量据说是太阳的数百万至十数亿倍。
  2.小质量黑洞
  质量为太阳质量的10至20倍,即超新星爆炸以后所留下的核心质量是太阳的3至15倍就会形成黑洞。
  理论预测,当质量为太阳的40倍以上,可不经超新星爆炸过程而形成黑洞。
  3.中型黑洞
  中型黑洞是否真实存在仍然存疑。
  分类方法二:根据黑洞本身的物理特性(质量、电荷、角动量):
  1.不旋转不带电荷的黑洞。它的时空结构于1916年由史瓦西求出称史瓦西黑洞。
  2.不旋转带电黑洞,称R-N黑洞。时空结构于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。
  3.旋转不带电黑洞,称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。
  4.一般黑洞,称克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。

黑洞的毁灭

  黑洞会发出耀眼的光芒,体积会缩小,甚至会爆炸。当英国物理学家史迪芬·霍金于1974年做此预言时,整个科学界为之震动。
  霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃,他结合了广义相对论和量子理论。他发现黑洞周围的引力场释放出能量,同时消耗黑洞的能量和质量。
  假设一对粒子会在任何时刻、任何地点被创生,被创生的粒子就是正粒子与反粒子,而如果这一创生过程发生在黑洞附近的话就会有两种情况发生:两粒子湮灭、一个粒子被吸入黑洞。“一个粒子被吸入黑洞”这一情况:在黑洞附近创生的一对粒子其中一个反粒子会被吸入黑洞,而正粒子会逃逸,由于能量不能凭空创生,我们设反粒子携带负能量,正粒子携带正能量,而反粒子的所有运动过程可以视为是一个正粒子的为之相反的运动过程,如一个反粒子被吸入黑洞可视为一个正粒子从黑洞逃逸。这一情况就是一个携带着从黑洞里来的正能量的粒子逃逸了,即黑洞的总能量少了,而爱因斯坦的公式E=mc^2表明,能量的损失会导致质量的损失。
  当黑洞的质量越来越小时,它的温度会越来越高。这样,当黑洞损失质量时,它的温度和发射率增加,因而它的质量损失得更快。这种“霍金辐射”对大多数黑洞来说可以忽略不计,因为大黑洞辐射的比较慢,而小黑洞则以极高的速度辐射能量,直到黑洞的爆炸。

黑洞五个“最”

 

·最小的黑洞

  最小的黑洞仅是太阳质量的3.8倍,其直径为24公里,仅比纽约曼哈顿岛大一些。尽管这个被称为“XTE J1650-500”的黑洞算是小个头,但它却是极具破坏性的“引擎”。它与其它黑洞一样,从伴星那里偷取气体,使自己升温,基于XTE J1650-500黑洞的质量,它释放X射线的强度呈周期性变化。天文学家通过观测这种微小的变化,能够测量这颗黑洞的质量。

·最大的黑洞

  迄今发现宇宙中最大质量黑洞的质量是太阳的180亿倍,是此前纪录保持者的6倍,它的质量相当于一颗小型星系。
  这个庞然大物潜伏在OJ287类星体,该类星体距离地球35亿光年。2008年,天文学家通过观测一个较小黑洞(该黑洞的质量相当于太阳的1亿倍)的轨道所受这个庞然大物黑洞的引力场作用,从而测量这个超大黑洞的质量。

·最年轻的黑洞(距离地球最近的黑洞)

  科学家最新发现的31岁“婴儿黑洞”是超新星SN 1979C的残骸物质,该超新星位于M100星系,大约距离地球5000万光年。基于1995年至2007年的观测数据,科学家推断这个年轻黑洞的成长是超新星SN 1979C或者一个双星系统提供“营养成份”。
  领导这项研究的美国哈佛-史密森天体物理学研究中心的丹尼尔-帕特诺德(Daniel Patnaude)说:“如果我们的解释是正确的,这将是迄今为止观测到的距离地球最近的新生黑洞!”超新星SN 1979C首次被观测是1979年,由一位业余天文学家发现。科学家认为SN 1979C形成于一颗质量是太阳20多倍的恒星崩溃过程中。之前在遥远宇宙区域发现的新黑洞是在伽马射线暴(GRBs)中发现的,然而SN 1979C截然不同,这是由于它非常接近地球,属于超新星类型,不可能与伽马射线暴有关。科学家基于该理论预测宇宙中存在着更多的黑洞,它们形成于恒星内核崩溃、未产生伽马射线暴的时期。
  美国哈佛-史密森天体物理学研究中心的亚伯拉罕-罗卜(Abraham Loeb)该研究合著作者之一,他说:“或许这是首次普遍地观测发现一个黑洞,然而它却非常与众不同,由于十余年间的X射线观测数据证实了这是一个刚诞生不久的黑洞形式。”这个婴儿黑洞的31岁年龄与近期理论研究相一致。2005年,一项理论研究报告显示超新星SN 1979C的明亮光线的能量来源于一个黑洞的喷射流,该黑洞喷射流不能穿透恒星的氢气包裹层形成伽马射线暴。这项研究结果与SN 1979C的观测结果十分相符。
 

·旋转最快的黑洞

  黑洞并不仅仅是在宇宙空间吞噬气体,如果形成黑洞的恒星处于快速旋转,那么这个黑洞也会持续旋转。相比静止状态的黑洞,旋转黑洞能够更好地控制环绕其周围的宇宙物质盘。
  这个快速旋转的黑洞叫做GRS 1915+105,大约每秒旋转1000次。这几乎是黑洞旋转的最快速度,这一速度是快速旋转恒星崩溃之前测定的。