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通过以下十个问题来揭秘黑洞

此艺术概念图展示了一个太阳质量数百万至数十亿倍的超大黑洞。超大质量黑洞一般隐藏在星系中心。图片来自: NASA/JPL-Caltech

黑洞是宇宙中密度极大、连光也无法从中逃脱的天体。黑洞神秘又奇特,它们对于揭示引力如何作用有着重要的意义:当大量的物体压缩到足够小的空间时,产生的物体就会撕裂空间和时间的结构,成为所谓的“奇点”。一个黑洞的引力巨大到可以吞噬其周围(事件视界)所有的物质。

这里是关于黑洞您可能想知道的十件事:

这是一个合成图,图像中以可见光和X射线显示了星系 NGC 1068的结构。用来自NASA哈勃太空望远镜和斯隆数字天空测量的可见光图覆盖在NASA的核光谱望远镜阵列(NuSTAR)捕获的高能X射线(品红色)图像上。X射线来自该星系中心的一个活跃的超大质量黑洞,也称为类星体。由于它与我们的银河系相对较近,因此已经对其进行了深入研究。图片来源:NASA/JPL-Caltech/Roma Tre Univ.

1.黑洞看不见,那么我们如何知道黑洞的存在?

没有任何光线(包括X射线),能够逃离黑洞的事件视界内——越过即无法返回的区域。美国国家航空航天局(NASA)研究黑洞的天文望远镜观察着黑洞周围的环境,那里有一些非常靠近事件视界的物质。在视界外,越靠近黑洞视界的物质运动速度越快,在距离不同造成的速度差之下进一步产生剧烈的摩擦,因而物质就会被加热到数百万度的高温,所以它会在(视界外)X射线中发光。黑洞巨大的引力同样会扭曲自身空间,所以能够看到无形的引力对恒星和其他物体的影响,例如爱因斯坦环等。

 

在2015年,研究人员发现一个名为CID-947的黑洞成长速度远超其所在的星系。这个黑洞在星系的中心位置,是太阳质量的70亿倍,属于已发现的最大质量的黑洞之一。然而该星系的质量被认为是正常的,因为它发出的光需要穿过非常长的距离,科学家们目前观测到的它正处于宇宙年龄小于20亿年时,只有它现在年龄的14%(宇宙大爆炸已发生140亿年)。图片来源:M. Helfenbein, Yale University / OPAC

2.形成一个黑洞需要多久?

在一个大质量恒星坍塌后数秒内,就可能形成一个太阳质量数十倍的黑洞。两颗被称为中子星的致密恒星残骸融合过程中也能产生相对较小的黑洞。一个中子星也能与黑洞合并产生更大的黑洞,或者两个黑洞可以互相撞击。这样的融合使得黑洞的成长速度更快,同时产生被称为引力波的时空涟漪。

更神秘的是在星系中心地带发现的超大质量黑洞——是太阳质量的数百万乃至数十亿倍。不超过十亿年黑洞就能达到非常大的规模,但是一般来说还不知道形成这样的超大黑洞需要多长时间。

如图所示,科学家们使用了视界望远镜观测M87星系的中心,获得了第一张黑洞照片。这张照片上显示出一个明亮的光环,是光受到质量大于65亿个太阳的黑洞附近强大的引力而弯曲形成的。图片来源:Event Horizon Telescope Collaboration

3.科学家们如何计算超大质量的黑洞?

科学家们主要观测位于星系中心的恒星的运动。这些恒星的运动意味着一个黑暗的、巨大的物体的引力作用,其质量能够通过运动速度计算出来。物体进入到黑洞中,就会增加黑洞的质量和引力。

这张图片展示了黑洞周围的活动。虽然看不到经过黑洞视界的物质,但超出此阈值的物质旋转加速到数百万度并辐射出X射线辐。图片来源:CXC/A.Hobart

4.黑洞是否会“吞噬”整个星系?

答案是否定的,黑洞无法吞噬整个星系。星系中超大质量黑洞的引力范围很大,但是还不足以到可以吞噬整个星系。

该图显示了一束发光物质流,其源于遭到超大质量黑洞吞噬而裂解的恒星。黑洞周围环绕着恒星的余烬。当一颗恒星距离黑洞足够近到被其吞噬时,恒星物质在进入黑洞后会被拉伸并压缩的同时释放巨大的能量。图片来源:NASA/JPL-Caltech

5.如果你跌入黑洞会发生什么?

当然是糟透了!但是通过阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的广义相对论我们能得知黑洞内部的世界。

以黑洞为参照物,距离黑洞较远的观测者只能看到事件视界外的区域,但落入黑洞的个体观测者却会经历另一种完全不同的“现实”。如果你进入了事件视界,你对于空间与时间的概念将被完全颠覆。与此同时,巨大的黑洞引力将在水平方向上压扁你的身体,在竖直方向上把你拉长,此时的你就像一根面条一样,这就是为什么科学家称这种现象为“意大利面条化”(这可不是开玩笑)。

幸运的是,这种悲惨的经历没有在任何人身上发生过,因为黑洞距离太阳系太远了,它并不能从我们的太阳系吸走任何物质。科学家已观察到黑洞撕裂恒星的现象,这一过程释放了大量的能量。

NASA的钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray observatory)探测到某个黑洞附近的一个吸积盘所产生的速度比以往所有观测到的都要快。这张艺术图片表现出左半部黑洞强大的引力正将气态物质吸出图中右边的伴星。该气体在黑洞的周围形成了一个热的气态盘,以2000万英里每小时(光速的3%)的“风速”吹散这个气态盘。图片来源:NASA/CXC/M.Weiss

6.要是太阳变成黑洞了会怎样?

别想太多了,太阳是永远也不会变成黑洞的,因为它的质量太小,不足以让它爆炸。既然不会变黑洞那会变成什么呢?答案是白矮星,一种致密的恒星残骸。

不过我们可以假设太阳突然变成了一个和它如今本身质量相同的黑洞,但这并不会对行星运行的轨道造成影响,因为它对太阳系的引力影响同以前一样。所以,地球仍将绕着“太阳”公转而不会被吸进去,但缺少阳光对于地球生命的影响将会是毁灭性的。

银河系的中心区域集结着各种奇异的天体,其中包括一个名为“人马座A*”的超大质量黑洞,基质量约太阳质量的400万倍;温度高达百万摄氏度的气体物质;吞噬其主星物质以及射电辐射形成的美丽的卷须状物。人马座A*附近区域的图像是由钱德拉数据(绿色和蓝色)与来自南非的猫鼬望远镜( the MeerKAT telescope)观测到的无线电数据(红色)复合而成的。猫鼬望远镜最终将变为平方公里阵列望远镜的一部分。图像与X射线来源:NASA/CXC/UMass/D. Wang et al.;无线电来源:SARAO/MeerKAT

7.黑洞会影响我们的星球吗?

当一颗大质量的恒星爆炸时,会留下一个恒星质量黑洞。这些爆炸将碳、氮、氧等生命所必需的元素分配到宇宙中。两个中子星,两个黑洞,或者一个中子星和一个黑洞合并,同样地会将重元素分布到四周,而这些重元素有一天有可能变成一颗新行星的一部分。恒星爆炸产生的冲击波也有可能会引发新恒星和新太阳系的形成。所以,在某种意义上,我们地球的存在要归功于很久以前黑洞形成的爆炸和碰撞事件。

从更大范围上来说,大多数的星系中心都存在着超大质量黑洞。这些超大质量黑洞的形成和星系的形成之间的联系至今尚未清楚。我们银河系的形成过程中,黑洞可能起过作用。但是这是个关于先有鸡还是先有蛋的问题,到底是哪个先出现,是星系还是黑洞?这是我们宇宙中最大的谜团之一。

此幅艺术概念图展示了迄今为止发现的最远的超大质量黑洞。它是大爆炸后6.9亿年的类星体的一部分。图片来源:罗宾·迪内尔/卡内基科学研究所。

8.迄今发现的最远的黑洞在哪里?

目前发现最远的黑洞位于距离地球131亿光年外的一个星系(宇宙的年龄目前估算是138亿年,这意味着这个黑洞诞生于宇宙大爆炸6.9亿年之后)。

这个超大质量黑洞被天文学家称之为“类星体”,大量的气体以极快的速度涌入黑洞中,其能量输出是星系本身的一千倍。正因为其极高的亮度,天文学家才能够从如此遥远的距离外探测到。

这张照片的中心区域包含了迄今为止发现的最密集的超大质量黑洞,整片天空中有大约十亿个黑洞。这张2017年的照片由钱德拉(Chandra)耗时81天观测制成(这句不确定准不准,换算成了天数,不确定“700万秒钱德拉观测时间”是不是专业术语需要保留),是钱德拉南深空区的一部分。它前所未有地用X射线观测诞生初期的宇宙,让天文学家得以窥探宇宙大爆炸后数十亿年间黑洞的成长,在这张图片中,钱德拉(Chandra)探测到的低、中、高能量X射线分别显示为红色、绿色和蓝色。图片来源:NASA/CXC/Penn State/B.Luo et al.

9.如果没有东西能从黑洞中逃脱,那么整个宇宙最终会不会被吞没?

宇宙是一个超大空间。特别是与星系的大小相比,一个特定的黑洞具有显著的引力影响的区域大小是非常有限的。这甚至适用于超大质量黑洞,比如我们在银河系中心发现的那个。这个黑洞也许已经“吃掉”了附近形成的大部分或者全部恒星,但是更远的恒星是安全的,不会被拉进去。由于这个黑洞的质量已经是太阳质量的几百万倍,因此即使它再吞噬下几颗类日恒星,它的质量也只会有很小的增加。距离银河系黑洞有26000光年的地球并不存在着被拉进去的危险。

未来的星系碰撞会导致黑洞体积变大,例如两个黑洞的合并。但是碰撞不会无限期地发生,因为宇宙很大并且正在膨胀,因此黑洞不太可能会使整个宇宙坍缩。

在这张显示了黑洞及其周围圆盘的图片中,气体螺旋向黑洞方向正堆积在它的外面,造成了吸积盘堆积过度。对于这种情况,越小的黑洞越严重,所以X射线的发射时间也更短。图片来源:NASA。

10.黑洞能变小吗

可以。已故物理学家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)提出,尽管黑洞通过吞噬物质而变得更大,但它们也在慢慢地缩小,因为他们正在损失少量的能量,这些能量被称之为“霍金辐射(Hawking radiation)”。

霍金辐射的产生是因为空白空间,或者真空,但不是真正的真空。 它实际上是一个不断出现和存在粒子的海洋。霍金指出,如果黑洞附近出现这样的一对粒子,那么其中一个粒子就有可能在被摧毁之前被拉进黑洞。在这种情况下,它的伙伴将逃入太空之中。它的能量来自黑洞,所以在这个过程中黑洞正在慢慢地失去它的能量和质量。

理论上,黑洞最终会通过霍金辐射蒸发。但是对于我们所了解的大多数黑洞来说,它们蒸发的时间要比整个宇宙的年龄要长得多。即使是那些质量仅为太阳质量几倍的黑洞,也会存在很长很长的一段时间。

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