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  • 黑洞[天体名称]

    黑洞(Black hole)是现代广义相对论中,宇宙空间内存在的一种超高密度天体,由于类似热力学上完全不反射光线的黑体,故名为黑洞。黑洞是时空曲率大到光都无法从其视界逃脱的天体。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而“死亡”后,发生引力坍缩产生的。黑洞的质量极其巨大,而体积却十分微小,它产生的引力场极为强劲,以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个事件视界(临界点)内,便再无力逃脱,甚至传播速度最快的光(电磁波)也逃逸不出。黑洞无法直接观测,但可以借由间接方式得知其存在与质量,并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因高热而放出紫外线X射线的“边缘讯息”,可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行黑洞轨迹,来取得位置以及质量。

    编辑摘要
    百科帮你涨姿势

    可吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质 且无法直接进行观测

    死亡时可能会变成一个“白洞” 喷射出之前黑洞捕获的所有物质

    美物理教授霍拉蒂·纳斯塔西在地球上制造出第一个“人造黑洞”

    科学 +
    黑洞[天体名称]

    当一颗不幸的恒星出现在一个超大质量黑洞附近时,强烈的潮汐力会将恒星撕成碎片。这些碎片会形成吸积盘,缓慢坠入黑洞。[详细]

    基本信息 编辑信息模块

    中文名称: 黑洞 外文名: Black hole
    别 称: 无底洞 发现者: 卡尔·史瓦西
    发现时间: 1916年 质 量: 100亿倍太阳质量
    直 径: 0 平均密度:
    表面温度: 逃逸速度: 313248km/s
    反照率: 0.98 自转周期:

    目录

    概述/黑洞[天体名称] 编辑

    黑洞黑洞

    黑洞是一个空间——时间区域,它的最外围是光所能从黑洞向外到达的最远距离,这个边界称为“事件视界”。它如同一个单向的膜,只允许物质穿过视界并落到黑洞里去,但没有任何物质能够从里面出来。 

    “黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”,其实不然。所谓“黑洞”,就是这样一种天体:它的引力场是如此之强,就连光也不能逃脱出来。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。实际上黑洞真正是“隐形”的。 

    演化过程/黑洞[天体名称] 编辑

    黑洞黑洞

    黑洞就是中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小的奇点和周围一部分空空如也的天区,这个天区范围之内不可见。依据阿尔伯特-爱因斯坦的相对论,当一颗垂死恒星崩溃,它将聚集成一点,这里将成为黑洞,吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。

    黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程;某一个恒星在准备灭亡,核心在自身重力的作用下迅速地收缩,塌陷,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体,同时也压缩了内部的空间和时间。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。由于高质量而产生的力量,使得任何靠近它的物体都会被它吸进去。黑洞开始吞噬恒星的外壳,但黑洞并不能吞噬如此多的物质,黑洞会释放一部分物质,射出两道纯能量——γ射线。

    也可以简单理解: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,发生聚变。由于恒星质量很大,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,参与聚变时不释放能量,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。说它“黑”,是因为它的密度无穷大,从而产生的引力使得它周围的光都无法逃逸。跟中子星一样,黑洞也是由质量大于太阳质量好几倍以上的恒星演化而来的。
    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,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径),质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就诞生了。

    吸积

    黑洞吸积黑洞吸积

    黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的,这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时,它们产生的辐射对黑洞的自转以及视界的存在极为敏感。对吸积黑洞光度和光谱的分析为旋转黑洞和视界的存在提供了强有力的证据。数值模拟也显示吸积黑洞经常出现相对论喷流也部分是由黑洞的自转所驱动的。

    通常天体物理学家会用“吸积”这个词来描述物质向中央引力体或者是中央延展物质系统的流动。吸积是天体物理中最普遍的过程之一,而且也正是因为吸积才形成了我们周围许多常见的结构。在宇宙早期,当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成了星系。即使到了今天,恒星依然是由气体云在其自身引力作用下坍缩碎裂,进而通过吸积周围气体而形成的。行星(包括地球)也是在新形成的恒星周围通过气体和岩石的聚集而形成的。当中央天体是一个黑洞时,吸积就会展现出它最为壮观的一面。黑洞除了吸积物质之外,还通过霍金蒸发过程向外辐射粒子。

    蒸发

    黑洞蒸发黑洞蒸发

    由于黑洞的密度极大,根据公式我们可以知道密度=质量/体积,为了让黑洞密度无限大,那就说明黑洞的体积要无限小,然后质量要无限大,这样才能成为黑洞。黑洞是由一些恒星“灭亡”后所形成的死星,它的质量极大,体积极小。但黑洞也有灭亡的那天,按照霍金的理论,在量子物理中,有一种名为“隧道效应”的现象,即一个粒子的场强分布虽然尽可能让能量低的地方较强,但即使在能量相当高的地方,场强仍会有分布,对于黑洞的边界来说,这就是一堵能量相当高的势垒,但是粒子仍有可能出去。

    霍金还证明,每个黑洞都有一定的温度,而且温度的高低与黑洞的质量成反比例。也就是说,大黑洞温度低,蒸发也微弱;小黑洞的温度高蒸发也强烈,类似剧烈的爆发。相当于一个太阳质量的黑洞,大约要1后面66个0年才能蒸发殆尽;相当于一颗小行星质量的黑洞会在1小数点后面21个0加1012秒内蒸发得干干净净。

    毁灭

    黑洞毁灭黑洞毁灭

    黑洞会发出耀眼的光芒,体积会缩小,甚至会爆炸。当英国物理学家史蒂芬·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。

    研究历史/黑洞[天体名称] 编辑

    黑洞黑洞
    历史上,第一个意识到一个致密天体密度可以大到连光都无法逃逸的人是英国地理学家John Michell。他在1783年写给亨利·卡文迪什一封信中提出这个想法的,他认为一个和太阳同等质量的天体,如果半径只有3公里,那么这个天体是不可见的,因为光无法逃离天体表面。1796年,法国物理学家拉普拉斯曾预言:“一个质量如250个太阳,而直径为地球的发光恒星,由于其引力的作用,将不允许任何光线离开它。由于这个原因,宇宙中最大的发光天体,却不会被我们看见”。 

    现代物理中的黑洞理论建立在广义相对论的基础上。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。比如说,恒星在被吸入黑洞时会在黑洞周围形成吸积气盘,盘中气体剧烈摩擦,强烈发热,而发出X射线。借由对这类X射线的观测,可以间接发现黑洞并对之进行研究。黑洞的存在已被天文学界和物理学界的绝大多数研究者所认同。

    物理学年表

    1640年–法国天文学家布利奥(Ismael Bullialdus)建议万有引力的大小与距离平方成反比。
    1684年-牛顿导出了平方反比的万有引力定律。
    1758年-拉古萨共和国(现今克罗地亚南部的港市杜布罗夫尼克)的Rudjer Josip Boscovich发展出自己的力学理论,在短距离内万有引力会互斥。依据他这奇特的理论,可能存在类似白洞的物体,能使其他的物体不能接近它的表面。
    1784年–英国的自然哲学家John Michell论及经典物理有逃逸速度超过光速的物体。
    1795年–法国的数学与天文学家拉普拉斯亦论及经典物理有逃逸速度超过光速的物体。
    1798年–英国的物理学家亨利·卡文迪什测量万有引力常数常数G。
    1876年–英国的数学与科学哲学家威廉·金顿·克利福德建议物体的运动可能源自于空间上的几何变化。
    1909年-爱因斯坦和葛罗斯曼开始发展束缚度量张量的理论gik,用以定义与质量有关,源自的万有引力空间几何。
    1910年-汉斯·莱纳和根拿·诺德斯德伦定义了莱纳-诺德斯德伦奇点,赫尔曼·魏尔解出特解为一个点。
    1916年-卡尔·史瓦西解出球面对称且不转动的无电性系统在真空下的爱因斯坦场方程。
    1917年-保罗·埃伦费斯特给初三度空间的条件原则。
    1918年-汉斯·莱纳和根拿·诺德斯德伦解出球面对称且不转动的荷电系统的爱因斯坦-麦克斯韦场方程。
    1963年-克尔解出不带电对称旋转体在真空的爱因斯坦场方程,并导出克尔度规
    1964年-罗杰·彭罗斯证明一颗内爆的恒星一旦形成事件视界就必然会成为奇点。
    1965年-艾兹·T.·纽曼、 E. 考契(Couch)、K. Chinnapared、A. Exton、A. Prakash、和Robert Torrence解出带电并旋转系统的爱因斯坦-麦克斯韦场方程。
    1967年– 在英国伦敦国王学院的以斯列证明了无发理论。约翰·惠勒提出"黑洞"这个名词。
    1968年-布兰登·卡特应用汉米顿-贾可比方程导出带电的亚原子粒子在克尔-纽曼黑洞场外的一阶运动方程。
    1969年-罗杰·彭罗斯论述由克尔黑洞题取自旋能量的罗杰—彭罗斯过程。罗杰·彭罗斯提出宇宙审查假说。
    1971年– 确认天鹅座X-1/HDE 226868 是一个双星的黑洞系统候选者。
    1972年-史蒂芬·霍金证明,经典黑洞的视界事件区域不可能减少。詹姆斯·巴丁、布兰登·卡特、和史蒂芬·霍金提出等同于热力学定律的黑洞第四定律。雅各·柏肯斯坦建议黑洞也有熵,就是事件视界的面积。
    1974年-史蒂芬·霍金将量子场论运用于黑洞时空,并证明黑洞会像黑体一样辐射出光谱而导致黑洞的蒸发。
    1989年–证明天鹅座的GS2023+338/V404是一个双星黑洞系统的候选者。
    1996年-安蒂·斯楚明格和伐发运用弦论计算黑洞的熵,得到与史蒂芬·霍金和雅各·柏肯斯坦相同的结果。
    2002年-马克斯普郎克外太空物理学院的天文学家提出的证据假设银河系的中心人马座A*是个超重质量黑洞。美国国家航空航天局的昌德拉X-射线天文台的观测,怀疑在NGC 6240内的黑洞是由星系吞噬产生的。
    2004年– 在量子力学和弦论上的计算,都认为讯息可以自黑洞溢出。源自弦论的黑洞模型对奇点的想法抱持怀疑。参见Fuzzballs。加州大学洛杉矶分校进一步的观测证据,强烈的支持人马座A是一个黑洞。

    黑洞黑洞

    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。

    所谓“超大质量黑洞”是指每个质量约为太阳的100亿倍。如果存在超大质量黑洞,那么在它周围的物质亦应当像绕太阳旋转的行星那样,遵循“开普勒行星运动三定律”,哈勃太空望远镜就在NGC4261.室女座M84星系、室女座M87星系等星系中心发现了高速旋转的气体,而且发现银河系中心有几颗恒星按照轨道环绕中心的速度是其他恒星的上千倍,能使恒星飞速旋转必须有极大的引力,而只可能是超大质量黑洞有这样的能力。
    根据开普勒定律,气体的旋转速度应与其围绕天体的质量的平方根成正比,与旋转半径的平方根成反比。如果能够确定旋转速度和半径,就能求出那个天体的质量,NGC4261旋转半径为300光年以内,质量约为太阳质量的20亿倍;M84星系旋转半径为30光年以内,质量约为太阳质量的3亿倍;M87星系旋转半径为15光年以内,质量约为太阳质量的30亿倍。10亿倍太阳质量的黑洞的半径大约为10天文单位,也就是1光年的一万分之一。所以,哈勃太空望远镜的观测结果与黑洞的半径相比较,还没有把握住黑洞的外侧。

    1995年,有关科学家与美国史密森尼安天文台合作,使用超长基线电波干涉仪群观测猎犬NGC4258星系的中心区域,发现在NGC4258星系中心仅0.3光年的区域内,就存在相当太阳质量3600万倍的质量,而且获得了迄今为止最精确的旋转速度。由此,星系中心存在超大质量黑洞的可能几乎转瞬间便具有了可能性。同年,科学家们进行了对确认超大质量黑洞具有决定意义的观测,证据是通过日本的X射线天文卫星观测得到的,观测对象是名为“MCG-6-30-15”的一个活跃星系。观测结果表明,来自这个星系中心的X射线发生了“引力红移”,这是非黑洞无法解释的。所谓“引力红移”是在强引力作用下,时间似乎变慢的可用广义相对论解释的现象,在这种现象中光波长变长。这个现象被确认其意义就相当于直接观测到黑洞。科学家从此得到了超大质量黑洞存在的强有力的证据,任何星系都存在巨大黑洞。

    黑洞黑洞

    黑洞不是“无色的”,周围可能围绕着光环
    麻省理工学院《技术评论》(Technology Review)杂志报道,天文学家认为,星系中心的超大质量黑洞不再是“无色的”,其周围可能围绕着光环。据报道,天文学家利用甚长基线干涉测量法,已经在黑洞成像技术方面取得了长足进步。人们普遍认为,在不远的将来,还会开发出更加先进的观测方法。

    根据理论预测,黑洞周围的光环,由黑洞吸引和束缚的光子组成。这个光环并没有穿透“事件穹界”,仅仅位于“事件穹界”的外围。事件穹界,即黑洞周围让物质有去无回的边界,在边界以外观测不到边界以内的任何事件。光环的直径可能比其围绕的黑洞直径大几倍,利用未来的成像技术可能可以看到它们。现在天文学家最急切希望的是,利用甚长基线干涉测量法等手段,可直接测量黑洞的质量。

    天文学家认为,他们将很快会直接观测到黑洞,并且能够观测到这些光环。广义相对论有一个著名的黑洞 “无毛发定理”(No-Hair Theorem), 它表明稳定黑洞的内部性质被其质量、 电荷及角动量三个宏观参数所完全表示。阿里桑那大学专家蒂姆·约翰森(Tim Johannsen)和迪米特里奥斯·帕萨提斯(Dimitrios Psaltis)指出,位于星系中心的黑洞是验证“无毛发定理”的最合适的对象。2010年11月16日凌晨1点30分,美国宇航局宣称,科学家通过美国宇航局钱德拉X射线望远镜在距地球5000万光年处发现了仅诞生30年的黑洞。

    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!”这个最新发现的年仅30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”。

    黑洞黑洞

    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是由一颗质量是太阳20多倍的恒星坍塌后形成的。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。

    这个婴儿黑洞的30岁年龄与理论研究相一致。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。据英国媒体2013年1月22日报道,美国的天文学家公布了首张预测的黑洞形状图像,像一弯月牙,但他们坦言目前并没有技术来证明他们的猜测。

    在第221届美国天文学会的大会上,来自美国加州大学伯克利分校的天文学家艾曼·卡曼鲁迪(Ayman Bin Kamruddin )公布了他猜想的黑洞图像。据了解,黑洞是看不见的,即使是光也不能脱离它的巨大引力。天文学家设想,黑洞的周围有边界,并且被其吸入的物质放射的射线可以被观测到。首张黑洞图像便是在这种预期下完成的。

    卡曼鲁迪告诉记者说:“黑洞周围有许多非常有趣的物理现象,这些物质会发光。从技术的角度讲,我们不能看到黑洞,但我们可以有效解决视界的问题。”事实上,天文学家的黑洞图像设想是建立在尚未完成的模型之上的。一个名为“视界望远镜”的新项目将世界范围的射电望远镜的观测数据联合起来。这样,太空中的微小景象都能被观测到了。加州伯克利分校另一名天文学家贾森·德克斯特说:“我认为在未来5年内,我们得到黑洞的真实形象就不是一件疯狂的事情了。”

    广义相对论相关

    黑洞黑洞

    广义相对论方程存在一些解,这些解使得航天员可能看到裸奇点。他也许能避免撞到奇点上去,而穿过一个“虫洞”来到宇宙的另一区域。看来这给空间——时间内的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是,所有这些解似乎都是非常不稳定的;最小的干扰,譬如一个航天员的存在就会使之改变,以至于他还没能看到此奇点,就撞上去而结束了他的时间。换言之,奇点总是发生在他的将来,而从不会在过去。强的宇宙监督猜测是说,在一个现实的解里,奇点总是或者整个存在于将来(如引力坍缩的奇点),或者整个存在于过去(如大爆炸)。因为在接近裸奇点处可能旅行到过去,所以宇宙监督猜测的某种形式的成立是大有希望的。

    事件视界,也就是空间——时间中不可逃逸区域的边界,正如同围绕着黑洞的单向膜:物体,譬如不谨慎的航天员,能通过事件视界落到黑洞里去,但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。(记住事件视界是企图逃离黑洞的光的空间——时间轨道,没有任何东西可以比光运动得更快)人们可以将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地用于事件视界:“从这儿进去的人必须抛弃一切希望。”任何东西或任何人一旦进入事件视界,就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。广义相对论预言,运动的重物会导致引力波的辐射,那是以光的速度传播的空间——时间曲率的涟漪。引力波和电磁场的涟漪光波相类似,但是要探测到它则困难得多。就像光一样,它带走了发射它们的物体的能量。因为任何运动中的能量都会被引力波的辐射所带走,所以可以预料,一个大质量物体的系统最终会趋向于一种不变的状态。(这和扔一块软木到水中的情况相当类似,起先翻上翻下折腾了好一阵,但是当涟漪将其能量带走,就使它最终平静下来。)例如,绕着太阳公转的地球即产生引力波。其能量损失的效应将改变地球的轨道,使之逐渐越来越接近太阳,最后撞到太阳上,以这种方式归于最终不变的状态。在地球和太阳的情形下能量损失率非常小——大约只能点燃一个小电热器, 这意味着要用大约1千亿亿亿年地球才会和太阳相撞,没有必要立即去为之担忧。地球轨道改变的过程极其缓慢,以至于根本观测不到。但几年以前,在称为PSR1913+16(PSR表示“脉冲星”,一种特别的发射出无线电波规则脉冲的中子星)的系统中观测到这一效应。此系统包含两个互相围绕着运动的中子星,由于引力波辐射,它们的能量损失,使之相互以螺旋线轨道靠近。

    黑洞黑洞

    在恒星引力坍缩形成黑洞时,运动会更快得多,这样能量被带走的速率就高得多。所以不用太长的时间就会达到不变的状态。人们会以为它将依赖于形成黑洞的恒星的所有的复杂特征——不仅仅它的质量和转动速度,而且恒星不同部分的不同密度以及恒星内气体的复杂运动。如果黑洞就像坍缩形成它们的原先物体那样变化多端,一般来讲,对之作任何预言都将是非常困难的。

    然而,加拿大科学家外奈·伊斯雷尔在1967年使黑洞研究发生了彻底的改变。他指出,根据广义相对论,非旋转的黑洞必须是非常简单、完美的球形;其大小只依赖于它们的质量,并且任何两个这样的同质量的黑洞必须是等同的。事实上,它们可以用爱因斯坦的特解来描述,这个解是在广义相对论发现后不久的1917年卡尔·施瓦兹席尔德找到的。一开始,许多人(其中包括伊斯雷尔自己)认为,既然黑洞必须是完美的球形,一个黑洞只能由一个完美球形物体坍缩而形成。所以,任何实际的恒星从来都不是完美的球形只会坍缩形成一个裸奇点。

    然而,对于伊斯雷尔的结果,一些人,特别是罗杰·彭罗斯和约翰·惠勒提倡一种不同的解释。他们论证道,牵涉恒星坍缩的快速运动表明,其释放出来的引力波使之越来越近于球形,到它终于静态时,就变成准确的球形。按照这种观点,任何非旋转恒星,不管其形状和内部结构如何复杂,在引力坍缩之后都将终结于一个完美的球形黑洞,其大小只依赖于它的质量。这种观点得到进一步的计算支持,并且很快就为大家所接受。

    伊斯雷尔的结果只处理了由非旋转物体形成的黑洞。1963年,新西兰人罗伊·克尔找到了广义相对论方程的描述旋转黑洞的一族解。这些“克尔”黑洞以恒常速度旋转,其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转的速度。如果旋转为零,黑洞就是完美的球形,这解就和施瓦兹席尔德解一样。如果有旋转,黑洞的赤道附近就鼓出去(正如地球或太阳由于旋转而鼓出去一样),而旋转得越快则鼓得越多。由此人们猜测,如将伊斯雷尔的结果推广到包括旋转体的情形,则任何旋转物体坍缩形成黑洞后,将最后终结于由克尔解描述的一个静态。

    黑洞是科学史上极为罕见的情形之一,在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下,作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。的确,这经常是反对黑洞的主要论据:怎么能相信一个其依据只是基于令人怀疑的广义相对论的计算的对象呢?然而,1963年,加利福尼亚的帕罗玛天文台的天文学家马丁·施密特测量了在称为3C273(即是剑桥射电源编目第三类的273号)射电源方向的一个黯淡的类星体的红移。他发现引力场不可能引起这么大的红移——如果它是引力红移,这类星体必须具有如此大的质量,并离地球如此之近,以至于会干扰太阳系中的行星轨道。这暗示此红移是由宇宙的膨胀引起的,进而表明此物体离地球非常远。由于在这么远的距离还能被观察到,它必须非常亮,也就是必须辐射出大量的能量。人们会想到,产生这么大量能量的唯一机制看来不仅仅是一个恒星,而是一个星系的整个中心区域的引力坍缩。人们还发现了许多其他类星体,它们都有很大的红移。但是它们都离开地球太远了,所以对之进行观察太困难,以至于不能。

    物理特征/黑洞[天体名称] 编辑

    黑洞只有三个物理量可以测量到:质量电荷角动量。也就是说:对于一个黑洞,一旦这三个物理量确定下来了,这个黑洞的特性也就唯一地确定了,这称为黑洞的无毛定理,或称作黑洞的唯一性定理。但是这个定理却只是限制了经典理论,没有否认可能有其他量子荷的存在,所以黑洞可以和大域单极或是宇宙弦共同存在,而带有大域量子荷。

    物理探索/黑洞[天体名称] 编辑

    黑洞黑洞
    1928年,一位印度研究生——萨拉玛尼安·钱德拉塞卡——乘船来到英国剑桥跟英国天文学家阿瑟·丁顿爵士(一位广义相对论家)学习。钱德拉塞卡意识到,不相容原理所能提供的排斥力有一个极限。恒星中的粒子的最大速度差被相对论限制为光速。这意味着,恒星变得足够紧致之时,由不相容原理引起的排斥力就会比引力的作用小。钱德拉塞卡计算出;一个大约为太阳质量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。(这质量现在称为钱德拉塞卡极限。)前苏联科学家列夫·达维多维奇·兰道几乎在同时也发现了类似的结论。   

    这对大质量恒星的最终归宿具有重大的意义。如果一颗恒星的质量比钱德拉塞卡极限小,它最后会停止收缩并终于变成一颗半径为几千英里和密度为每立方英寸几百吨的“白矮星”。白矮星是它物质中电子之间的不相容原理排斥力所支持的。我们观察到大量这样的白矮星。第一颗被观察到的是绕着夜空中最亮的恒星——天狼星转动的那一颗。   

    兰道指出,对于恒星还存在另一可能的终态。其极限质量大约也为太阳质量的一倍或二倍,但是其体积甚至比白矮星还小得多。这些恒星是由中子和质子之间,而不是电子之间的不相容原理排斥力所支持。所以它们被叫做中子星。它们的半径只有10英里左右,密度为每立方英寸几亿吨。在中子星被第一次预言时,并没有任何方法去观察它。实际上,很久以后它们才被观察到。   

    另一方面,质量比钱德拉塞卡极限还大的恒星在耗尽其燃料时,会出现一个很大的问题:在某种情形下,它们会爆炸或抛出足够的物质,使自己的质量减少到极限之下,以避免灾难性的引力坍缩。但是很难令人相信,不管恒星有多大,这总会发生。爱丁顿为此感到震惊,他拒绝相信钱德拉塞卡的结果。爱丁顿认为,一颗恒星不可能坍缩成一点。这是大多数科学家的观点:爱因斯坦自己写了一篇论文,宣布恒星的体积不会收缩为零。其他科学家,尤其是他以前的老师、恒星结构的主要权威——爱丁顿的敌意使钱德拉塞卡抛弃了这方面的工作,转去研究诸如恒星团运动等其他天文学问题。然而,他获得1983年诺贝尔奖,至少部分原因在于他早年所做的关于冷恒星的质量极限的工作。   

    钱德拉塞卡钱德拉塞卡
    钱德拉塞卡指出,不相容原理不能够阻止质量大于钱德拉塞卡极限的恒星发生坍缩。但是,根据广义相对论,这样的恒星会发生什么情况呢?这个问题被一位年轻的美国人罗伯特·奥本海默于1939年首次解决。然而,他所获得的结果表明,用当时的望远镜去观察不会再有任何结果。以后,因第二次世界大战的干扰,奥本海默非常密切地卷入到原子弹计划中去。战后,由于大部分科学家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去,因而引力坍缩的问题被大部分人忘记了。   

    1967年,剑桥的一位研究生约瑟琳·贝尔发现了天空发射出无线电波的规则脉冲的物体,这对黑洞的存在的预言带来了进一步的鼓舞。起初贝尔和她的导师安东尼·赫维许以为,他们可能和我们星系中的外星文明进行了接触。我的确记得在宣布他们发现的讨论会上,他们将这四个最早发现的源称为LGM1-4,LGM表示“小绿人”(“Little Green Man”)的意思。

    然而,最终他们和所有其他人都得到了不太浪漫的结论,这些被称为脉冲星的物体,事实上是旋转的中子星,这些中子星由于在黑洞这个概念刚被提出的时候,共有两种光理论:一种是牛顿赞成的光的微粒说;另一种是光的波动说。我们现在知道,实际上这两者都是正确的。由于量子力学的波粒二象性,光既可认为是波,也可认为是粒子。在光的波动说中,不清楚光对引力如何响应。但是如果光是由粒子组成的,人们可以预料,它们正如同炮弹、火箭和行星那样受引力的影响。起先人们以为,光粒子无限快地运动,所以引力不可能使之慢下来,但是罗麦关于光速度有限的发现表明引力对之可有重要效应。   

    1783年,剑桥的学监约翰·米歇尔在这个假定的基础上,在《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出,一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场,以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光,还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示,可能存在大量这样的恒星,虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿而使我们不能看到它们,但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们现在称为黑洞的物体。

    艾丁顿爱丁顿
    事实上,因为光速是固定的,所以,在牛顿引力论中将光类似炮弹那样处理实在很不协调。(从地面发射上天的炮弹由于引力而减速,最后停止上升并折回地面;然而,一个光子必须以不变的速度继续向上,那么牛顿引力对于光如何发生影响呢?)直到1915年爱因斯坦提出广义相对论之前,一直没有关于引力如何影响光的协调的理论。甚至又过了很长时间,这个理论对大质量恒星的含意才被理解。观察一个恒星坍缩并形成黑洞时,因为在相对论中没有绝对时间,所以每个观测者都有自己的时间测量。由于恒星的引力场,在恒星上某人的时间将和在远处某人的时间不同。

    假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩,按照他的表,每一秒钟发一信号到一个绕着该恒星转动的空间飞船上去。在他的表的某一时刻,譬如11点钟,恒星刚好收缩到它的临界半径,此时引力场强到没有任何东西可以逃逸出去,他的信号再也不能传到空间飞船了。当11点到达时,他在空间飞船中的伙伴发现,航天员发来的一串信号的时间间隔越变越长。但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微小的。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出的两个信号之间,他们只需等待比一秒钟稍长一点的时间,然而他们必须为11点发出的信号等待无限长的时间。按照航天员的手表,光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出;从空间飞船上看,那光波被散开到无限长的时间间隔里。在空间飞船上收到这一串光波的时间间隔变得越来越长,所以恒星来的光显得越来越红、越来越淡,最后,该恒星变得如此之朦胧,以至于从空间飞船上再也看不见它,所余下的只是空间中的一个黑洞。然而,此恒星继续以同样的引力作用到空间飞船上,使飞船继续绕着所形成的黑洞旋转。   

    但是由于以下的问题,使得上述情景不是完全现实的。离开恒星越远则引力越弱,所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总比作用到他头上的大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前,这力的差就已经将航天员拉成意大利面条那样,甚至将他撕裂。然而,在宇宙中存在质量大得多的天体,譬如星系的中心区域,它们遭受到引力坍缩而产生黑洞;一位在这样的物体上面的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上,当他到达临界半径时,不会有任何异样的感觉,甚至在通过永不回返的那一点时,都没注意到。但是,随着这区域继续坍缩,只要在几个钟头之内,作用到他头上和脚上的引力之差会变得如此之大,以至于再将其撕裂。   

    罗杰·彭罗斯罗杰·彭罗斯
    罗杰·彭罗斯在1965年和1970年之间的研究指出,根据广义相对论,在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的宇宙大爆炸相当类似,只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点,科学定律和预言将来的能力都失效了。然而,任何留在黑洞之外的观察者,将不会受到可预见性失效的影响,因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达。这令人惊奇的事实导致罗杰·彭罗斯提出了宇宙监督猜测,它可以被意译为:“上帝憎恶裸奇点。”换言之,由引力坍缩所产生的奇点只能发生在像黑洞这样的地方,在那儿它被事件视界体面地遮住而不被外界看见。严格地讲,这是所谓弱的宇宙监督猜测:它使留在黑洞外面的观察者不致受到发生在奇点处的可预见性失效的影响,但它对那位不幸落到黑洞里的可怜的航天员却是爱莫能助。
       
    广义相对论方程存在一些解,这些解使得我们的航天员可能看到裸奇点。他也许能避免撞到奇点上去,而穿过一个“虫洞”来到宇宙的另一区域。看来这给空间——时间内的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是,所有这些解似乎都是非常不稳定的;最小的干扰,譬如一个航天员的存在就会使之改变,以至于他还没能看到此奇点,就撞上去而结束了他的时间。换言之,奇点总是发生在他的将来,而从不会在过去。强的宇宙监督猜测是说,在一个现实的解里,奇点总是或者整个存在于将来(如引力坍缩的奇点),或者整个存在于过去(如大爆炸)。因为在接近裸奇点处可能旅行到过去,所以宇宙监督猜测的某种形式的成立是大有希望的。   

    事件视界,也就是空间——时间中不可逃逸区域的边界,正如同围绕着黑洞的单向膜:物体,譬如不谨慎的航天员,能通过事件视界落到黑洞里去,但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。(记住事件视界是企图逃离黑洞的光的空间——时间轨道,没有任何东西可以比光运动得更快。)人们可以将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地用于事件视界:“从这儿进去的人必须抛弃一切希望。”任何东西或任何人一旦进入事件视界,就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。   

    黑洞黑洞
    广义相对论预言,运动的重物会导致引力波的辐射,那是以光的速度传播的空间——时间曲率的涟漪。引力波和电磁场的涟漪光波相类似,但是要探测到它则困难得多。就像光一样,它带走了发射它们的物体的能量。因为任何运动中的能量都会被引力波的辐射所带走,所以可以预料,一个大质量物体的系统最终会趋向于一种不变的状态。(这和扔一块软木到水中的情况相当类似,起先翻上翻下折腾了好一阵,但是当涟漪将其能量带走,就使它最终平静下来。)例如,绕着太阳公转的地球即产生引力波。其能量损失的效应将改变地球的轨道,使之逐渐越来越接近太阳,最后撞到太阳上,以这种方式归于最终不变的状态。在地球和太阳的情形下能量损失率非常小——大约只能点燃一个小电热器, 这意味着要用大约1千亿亿亿年地球才会和太阳相撞,没有必要立即去为之担忧!地球轨道改变的过程极其缓慢,以至于根本观测不到。但几年以前,在称为PSR1913+16(PSR表示“脉冲星”,一种特别的发射出无线电波规则脉冲的中子星)的系统中观测到这一效应。此系统包含两个互相围绕着运动的中子星,由于引力波辐射,它们的能量损失,使之相互以螺旋线轨道靠近。  

    在恒星引力坍缩形成黑洞时,运动会更快得多,这样能量被带走的速率就高得多。所以不用太长的时间就会达到不变的状态。人们会以为它将依赖于形成黑洞的恒星的所有的复杂特征——不仅仅它的质量和转动速度,而且恒星不同部分的不同密度以及恒星内气体的复杂运动。如果黑洞就像坍缩形成它们的原先物体那样变化多端,一般来讲,对之作任何预言都将是非常困难的。然而,加拿大科学家外奈·伊斯雷尔在1967年使黑洞研究发生了彻底的改变。他指出,根据广义相对论,非旋转的黑洞必须是非常简单、完美的球形;其大小只依赖于它们的质量,并且任何两个这样的同质量的黑洞必须是等同的。

    黑洞黑洞
    事实上,它们可以用爱因斯坦的特解来描述,这个解是在广义相对论发现后不久的1917年卡尔·施瓦兹席尔德找到的。一开始,许多人(其中包括伊斯雷尔自己)认为,既然黑洞必须是完美的球形,一个黑洞只能由一个完美球形物体坍缩而形成。所以,任何实际的恒星从来都不是完美的球形只会坍缩形成一个裸奇点。然而,对于伊斯雷尔的结果,一些人,特别是罗杰·彭罗斯和约翰·惠勒提倡一种不同的解释。他们论证道,牵涉恒星坍缩的快速运动表明,其释放出来的引力波使之越来越近于球形,到它终于静态时,就变成准确的球形。按照这种观点,任何非旋转恒星,不管其形状和内部结构如何复杂,在引力坍缩之后都将终结于一个完美的球形黑洞,其大小只依赖于它的质量。这种观点得到进一步的计算支持,并且很快就为大家所接受。  

    伊斯雷尔的结果只处理了由非旋转物体形成的黑洞。

    1963年,新西兰人罗伊·克尔找到了广义相对论方程的描述旋转黑洞的一族解。这些“克尔”黑洞以恒常速度旋转,其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转的速度。如果旋转为零,黑洞就是完美的球形,这解就和施瓦兹席尔德解一样。如果有旋转,黑洞的赤道附近就鼓出去(正如地球或太阳由于旋转而鼓出去一样),而旋转得越快则鼓得越多。由此人们猜测,如将伊斯雷尔的结果推广到包括旋转体的情形,则任何旋转物体坍缩形成黑洞后,将最后终结于由克尔解描述的一个静态。   

    黑洞黑洞
    黑洞是科学史上极为罕见的情形之一,在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下,作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。的确,这经常是反对黑洞的主要论据:怎么能相信一个其依据只是基于令人怀疑的广义相对论的计算的对象呢?

    然而,1963年,加利福尼亚的帕罗玛天文台的天文学家马丁·施密特测量了在称为3C273(即是剑桥射电源编目第三类的273号)射电源方向的一个黯淡的类星体的红移。他发现引力场不可能引起这么大的红移——如果它是引力红移,这类星体必须具有如此大的质量,并离地球如此之近,以至于会干扰太阳系中的行星轨道。这暗示此红移是由宇宙的膨胀引起的,进而表明此物体离地球非常远。由于在这么远的距离还能被观察到,它必须非常亮,也就是必须辐射出大量的能量。人们会想到,产生这么大量能量的唯一机制看来不仅仅是一个恒星,而是一个星系的整个中心区域的引力坍缩。人们还发现了许多其他类星体,它们都有很大的红移。但是它们都离开地球太远了,所以对之进行观察太困难,以至于不能。[1]

    质量

    黑洞是由大于太阳质量的3.2倍的天体发生引力坍塌后形成的(小于1.4个太阳质量的恒星,会变成白矮星 )。

    天文学的观测表明,在很多星系的中心,包括银河系,都存在超过太阳质量上亿倍的超大质量黑洞。

    尺寸

    爱因斯坦的广义相对论预测有黑洞解。其中最简单的球对称解为史瓦西度量。这是由卡尔·史瓦西于1915年发现的爱因斯坦方程的解。根据史瓦西解,如果一个重力天体的半径小于一个特定值,天体将会发生坍塌,这个半径就叫做史瓦西半径。在这个半径以下的天体,其中的时空严重弯曲,从而使其发射的所有射线,无论是来自什么方向的,都将被吸引入这个天体的中心。因为相对论指出在任何惯性座标中,物质的速率都不可能超越真空中的光速,在史瓦西半径以下的天体的任何物质,包括重力天体的组成物质——都将塌陷于中心部分。一个有理论上无限密度组成的点组成重力奇点(gravitational singularity)。由于在史瓦西半径内连光线都不能逃出黑洞,所以一个典型的黑洞确实是绝对“黑”的。

    (图)黑洞

    史瓦西半径

    史瓦西半径由下面式子给出:G是万有引力常数,M是天体的质量,c是光速。对于一个与地球质量相等的天体,其史瓦西半径仅有9毫米。史瓦西半径只是某一种黑洞的半径,指的是无自转,无磁场的黑洞,不能泛泛的说所有黑洞的直径为史瓦西半径,而且在现实中,不存在这样的黑洞,拥有史瓦西半径的黑洞只是一个理论假设。

    温度

    黑洞越大,温度越低黑洞越大,温度越低

    就辐射谱而言,黑洞与有温度的物体完全一样,而黑洞所对应的温度,则正比于黑洞视界的重力强度。换句话说,黑洞的温度取决于它的大小。若黑洞只比太阳的几倍重,它的温度大约只比绝对零度高出亿分之一度,而更大的黑洞温度甚至更低。因此这类黑洞所发出的量子辐射,一律会被大爆炸所留下的2.7度辐射(宇宙背景辐射)完全淹没。

    事件视界

    事件视界又称为黑洞的视界,事件视界以外的观察者无法利用任何物理方法获得事件视界以内的任何事件的资讯,或者受到事件视界以内事件的影响。事件视界是造成黑洞所以被称为黑洞的根本原因,不过实际的观测还没有发现事件视界。

    光子球

    光子球是个零厚度的球状边界,光子只要切线闯入这个边界内,虽然不一定会被黑洞所捕获,但是会处在一个圆形的轨道里面,无法逃脱黑洞的视界之外。对于非旋转的黑洞来说,光子球大约史瓦西半径的一点五倍。这个轨道不是稳定的,随时会因为黑洞的成长而变动。 

    光子球之内光子依然有办法脱离,但是对于外部的观察者来说,任何观察的到的由黑洞发出的光子,都必须处于事件视界与光子球之间。这也是反对黑洞存在的人所依据的的强烈反对事实之一,透过观察光子球的光子能量,无法找到事件视界存在的证据。

    参考系拖曳圈

    参考系拖曳圈参考系拖曳圈

    参考系拖曳圈(Ergosphere,又称Frame Dragging或是Lense Thirring Effect,“兰斯-蒂林效应圈”),转动状态的质量会对其周围的时空产生拖拽的现象,这种现象被称作参考系拖拽。旋转黑洞才有参考系拖曳圈,也就是黑洞南北极与赤道在时空效应上有所不同。 

    观测者可以利用光圈效应及参考系拖曳圈,观测进入或脱离黑洞的光子的运动,透过间接的手段,例如粒子含量的分布及Penrose Process(旋转黑洞的能量拉出过程),来间接了解其重力的分布,透过重力的分布重新建立出其参考系拖曳圈。这种观测方式,只有双星以上的系统才能够进行这样的观测。


    时间场异常

    黑洞周围由于引力强大的因素,理论预期会发生时间场异常现象,这包含了周围的参考系拖曳圈及事件视界效应。

    分类特点/黑洞[天体名称] 编辑

    按质量分

    (图)黑洞黑洞
    超巨质量黑洞: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。
    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。
    中型黑洞:推论是由小质量黑洞合并形成,最后则变成超巨质量黑洞。中型黑洞是否真实存在仍然存疑。

    按物理特性分

    根据黑洞本身的物理特性(质量、电荷、角动量):
    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。 
    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。 
    旋转不带电黑洞,称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。 
    一般黑洞,称克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。

    原初黑洞

    宇宙黑洞宇宙黑洞
    原初黑洞是理论预言的一类黑洞,尚无直接证据支持原初黑洞的存在。宇宙大爆炸初期,宇宙早期膨胀之前,某些区域密度非常大,以至于宇宙膨胀后这些区域的密度仍然大到可以形成黑洞,这类黑洞叫做原初黑洞。原初黑洞的质量与密度不均匀处的尺度有关,因此原初黑洞的质量可以小于恒星坍塌生成的黑洞,根据霍金的理论,黑洞质量越小,蒸发越快。质量非常小的原初黑洞可能已经蒸发或即将蒸发,而恒星坍塌形成的黑洞的蒸发时标一般长于宇宙时间。天文学家期待能观测到某些原初黑洞最终蒸时发出的高能伽玛射线。

     

    产生/黑洞[天体名称] 编辑

    形成过程

    白矮星和中子星一样,黑洞也是由恒星演化而来的。

    白矮星-内部结构模型图白矮星-内部结构模型图

    当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(),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。

    质量小一些的恒星主要演化成白矮星,质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算,中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值,将再没有什么力能与自身重力相抗衡了,从而引发另一次大坍缩。根据科学家的猜想物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(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。

    形成理论

    中子星-内部结构模型图[2]中子星-内部结构模型图
    任何两个物体之间都存在这种吸引作用。物体之间的这种吸引作用普遍存在于宇宙万物之间,称为万有引力。宇宙星体所产生的引力场(和星体的质量及密度有关)越大,从其表面逃逸所需的极限速度就越大。如果这个引力场大到某个极限,使以光速运动的物体也不能挣脱它的束缚而逃逸,那么人们将无法观察到这个星体,仅能感受到它的引力效应。巨大黑洞质量可能是太阳的几十万、几百万或几千万倍 。由于他质量无穷大,使得其他物体能脱离他的速度也需要很大。这个逃逸速度如果超过了光速,光也会被吸纳。所以,光逃离不了。人们也就看不到黑洞。

     

     

     

    专家研究/黑洞[天体名称] 编辑

    等离子体

    德国马克斯普朗克核物理研究所和赫尔姆霍茨柏林中心的研究人员使用柏林同步加速器(BESSY Ⅱ)在实验室成功产生了黑洞周边的等离子体。通过该研究,之前只能在太空由人造卫星执行的天文物理实验,也可以在地面进行,诸多天文物理学难题有望得到解决。黑洞的重力很大,会吸附一切物质。进入黑洞后,任何东西都不可能从黑洞的边界之内逃逸出来。随着被吸入的物体的温度不断升高,会产生核与电子分离的高温等离子体。

    黑洞吸附物质会产生X射线,X射线反过来又会刺激其中的大量化学元素发射出具有独特线条(颜色)的X射线。分析这些线条可以帮助科学家了解更多有关黑洞附近等离子体的密度、速度和组成成分等信息。在这个过程中,铁起了非常关键的作用。尽管铁在宇宙中的储量并不如更轻的氢和氦丰富,但是,它能够更好地吸收和重新发射出X射线,发射出的光子因此也比其他更轻的原子发射出的光子具有更高的能量、更短的波长(使得其具有不同的颜色)。

    铁发射出的X射线在穿过黑洞周围的介质时也会被吸收。在这个所谓的光离化过程中,铁原子通常会经历几次电离,其包含的26个电子中有超过一半会被去除,最终产生带电离子,带电离子聚集成为等离子体,研究人员可以在实验室中重现了这个过程。实验的核心是马克斯普朗克核物理研究所设计的电子束离子阱。在这个离子阱中,铁原子经由一束强烈的电子束加热,从而被离子化14次。实验过程如下:一团铁离子(仅仅几厘米长并且像头发丝一样薄)在磁场和电场的作用下被悬停在一个超高真空内,同步加速器发射出的X射线的光子能量被一台精确性超高的“单色仪”挑选出来,作为一束很薄但却集中的光束施加到铁离子上。

    实验室测量到的光谱线与钱德拉X射线天文台和牛顿X射线多镜望远镜所观测的结果相匹配。也就是说,研究人员在地面实验室人为制造出了太空中的黑洞等离子体。这种新奇的方法将带电离子的离子阱和同步加速器辐射源结合在一起,让人们可以更好地了解黑洞周围的等离子体或者活跃的星系核。研究人员希望,将EBIT分光检查镜和更清晰的第三代(2009年开始在德国汉堡运行的同步辐射源PETRAⅢ)、第四代(X射线自由电子激光XFEL)X射线源结合,将能够给该研究领域带来更多新鲜活力。

    人造黑洞

    美国制成“人造黑洞”
    2005年3月,美国布朗大学物理教授‘霍拉蒂·纳斯塔西’在地球上制造出了第一个“人造黑洞“。美国纽约布鲁克海文实验室1998年建造了20世纪全球最大的粒子加速器,将金离子以接近光速对撞而制造出高密度物质。虽然这个黑洞体积很小,却具备真正黑洞的许多特点。纽约布鲁克海文国家实验室里的相对重离子碰撞机,可以以接近光速的速度把大型原子的核子(如金原子核子)相互碰撞,产生相当于太阳表面温度3亿倍的热能。纳斯塔西在纽约布鲁克海文国家实验室里利用原子撞击原理制造出来的灼热火球,具备天体黑洞的显著特性。比如:火球可以将周围10倍于自身质量的粒子吸收,这比所有量子物理学所推测的火球可吸收的粒子数目还要多。

    人造黑洞的设想最初由加拿大“不列颠哥伦比亚大学”的威廉·昂鲁教授在20世纪80年代提出,他认为声波在流体中的表现与光在黑洞中的表现非常相似,如果使流体的速度超过声速,那么事实上就已经在该流体中建立了一个人造黑洞。然而,利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足够的引力,除了光线外,它们无法像真正的黑洞那样“吞下周围的所有东西”。然而,纳斯塔西教授制造的人造黑洞已经可以吸收某些其他物质。因此,这被认为是黑洞研究领域的重大突破。
    欧洲“人造黑洞”
    2008年9月10日,随着第一束质子束流贯穿整个对撞机,欧洲大型强子对撞机正式启动。

    欧洲大型强子对撞机是2013年前世界上最大、能量最高的粒子加速器,是一种将质子加速对撞的高能物理设备,它位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的粒子加速器与对撞机,作为国际高能物理学研究之用。系统第一负责人是英国著名物理学家‘林恩·埃文斯’,大型强子对撞机最早就是由他设想出来并主导制造的,被外界称为“埃文斯原子能”。

    当比我们的太阳更大的特定恒星在生命最后阶段发生爆炸时,自然界就会形成黑洞。它们将大量物质浓缩在非常小的空间内。假设在大型强子对撞机内的质子相撞产生粒子的过程中,形成了微小黑洞,每个质子拥有的能量可跟一只飞行中的蚊子相当。天文学上的黑洞比大型强子对撞机能产生的任何东西的质量更重。据爱因斯坦的相对论描述的重力性质,大型强子对撞机内不可能产生微小黑洞。然而一些纯理论预言大型强子对撞机能产生这种粒子产品。所有这些理论都预测大型强子对撞机产生的此类粒子会立刻分解。因此它产生的黑洞将没时间浓缩物质,产生肉眼可见的结果。
    中国的人造电磁黑洞中国科学家造出第一个“人造电磁黑洞”
    2009年10月15 日,《科学》杂志宣布,世界上第一个“可吸收电磁波的微波人造黑洞”在中国东南大学实验室里诞生。不过,这个小型“黑洞”不仅不会毁灭世界,还能帮助人们更好地吸收太阳能。

    人们对黑洞这种天体感到好奇,但绝不会希望有任何一个黑洞接近自己,或我们的星球。有一些科学家在自己的实验室里造出了一个“迷你小型”黑洞。2009年10月15日的《科学》杂志在介绍这种“人造黑洞”时建议,人们可以把这种“黑洞”装进自己的大衣口袋里。制造出“人造黑洞”的是中国东南大学的一个研究组,崔铁军教授和程强教授是其中最主要的两位研究者。“实际上,我们做的黑洞不是严格意义上的黑洞。”在接受《外滩画报》采访时,程强教授对记者说。

    实验室里的“人工黑洞”,目的当然不是为了将一个吞噬一切的“恶魔”装进口袋。据程强介绍,存在于东南大学毫米波国家实验室的“人造黑洞”,实际上是一个模拟装置,这种模拟装置可以吸收微波频段的电磁波,在未来,它还可以吸收光。但是除此之外,它并不能吸收任何实质的东西。“它只吸收电磁波,不吸收能量。”程强对记者说。这是一个不具有危险性的“黑洞”,不仅如此,这种装置还能在未来用于收集太阳能。在这方面,“人造黑洞”将比世界上任何一种太阳能电池板都更高效。一些物理爱好者甚至为这种全新的装置设计了一些新功能,比如将它装置在航天器中的太阳帆上,或者用来吸收空气中游散的电磁波——因为手机和无线网络的普及,这种看不见的电磁波据说侵害了我们的健康,成为一种新的污染。

    不过,制造“黑洞”的研究者却从来不想那么多,崔铁军和程强正在继续的,是如何把实验室里的装置变成样机,“实现工程化”。面对关于“人造黑洞”的各式各样的议论,程强认为,“成果公布以后,被许多国际媒体转载和评论,确实也大大出乎我们意料。从我们个人角度而言,只觉得这是一个比较有意义的工作。
    实验室里的“黑洞”

    黑洞黑洞
    “我觉得很惊奇,崔和程这么快就做出了‘人造黑洞’!”看到这个研究成果后,纳瑞马诺维说。伊维根·纳瑞马诺维(Evgenii Narimanov)是美国印第安纳州西拉斐特市普渡大学的一名教授。年初,他和合作者亚历山大·基尔迪谢维(Alexander Kildishev)一起,发表论文,提出了一种制造小型“黑洞”的理论和设计方案。他们的想法是通过模拟黑洞的一些性质,使在“人造黑洞”附近出现的放射性物质被吸引,然后螺旋式地进入“黑洞”中心。“我们的确是受到他的论文的启发,但研究本身是我们独立完成的。”程强对记者说。

    之所以能这么快将之变成现实,是因为他们所在的实验室也一直从事着这方面的研究,在理论和实验两方面都积累了很多年的经验,实验过程中也用到了很多他们自己的独创性想法。不过虽然名为“黑洞”,他们受纳瑞马诺维启发而造的“黑洞”,和真正存在于宇宙中的黑洞还是有大差别的,这种差别并不仅仅体现在质量的大小上。两种“黑洞”的原理其实并不一样。

    宇宙间的黑洞之所以能吞噬一切,是因为它质量巨大,而实验室里的“黑洞”,实际上是根据光波在被吸进宇宙黑洞时的性质,模拟出来的仪器,可以令光波接近时产生相似的扭曲,并被吸引。也就是说,两种“黑洞”可以让附近的光波出现相似的“结局”,但是光波遇到的却并不是同一回事。
    不过东南大学实验室里的“黑洞”,还只是适用于某些微波频率,比如人们常用的通信频率, 如GSM、CDMA 和蓝牙等,吸引光波还有待进一步研究,因为光波的频率更短,需要设计的“人造黑洞”尺寸也要更小些。

    质量测定

    中科院国家天文台研究员刘继峰领导的国际团队在世界上首次成功测量到X射线极亮天体的黑洞质量,在该领域获得重大突破,将增进人们对黑洞及其周围极端物理过程的认识。该研究成果2013年11月28日发表在国际权威杂志《自然》上。20世纪90年代以来,天文学家陆续在遥远星系中发现了一批X射线光度极高的天体,它们可能是人们一直寻找的中等质量黑洞,也可能是具有特殊辐射机制的几个或几十个太阳质量的恒星级黑洞。国际天文和天体物理界对此一直难以定论。由于这类天体距离我们十分遥远,通常为几千万光年,同时X射线照射黑洞吸积盘而产生的光污染也非常强,因此测量极其困难。

    刘继峰团队选取有特色的天体目标,成功申请到位于美国夏威夷的8米大型双子望远镜以及10米凯克望远镜各20小时的观测时间,在3个月的时间跨度上对漩涡星系中X射线极亮源M101ULX-1进行了研究,并确认其中心天体为一个质量与恒星可比拟的黑洞。这个黑洞加伴星形成的黑洞双星系统位于2200万光年之外,是人类迄今发现的距离地球最

    不存在

    黑洞这一定义在经过漫长的时间推测后,已经慢慢被人们所接受。然而在2014年1月24日,英国著名科学家斯蒂芬·霍金教授再次以其与黑洞有关的理论震惊物理学界。他在日前发表的一篇论文中承认,黑洞其实是不存在的,不过“灰洞”的确存在。在其这篇名为《Information Preservation and Weather Forecasting For Black Holes》的论文中,霍金指出,由于找不到黑洞的边界,因此黑洞是不存在的。黑洞的边界又称“视界”。经典黑洞理论认为,黑洞外的物质和辐射可以通过视界进入黑洞内部,而黑洞内的任何物质和辐射均不能穿出视界。

    霍金的最新“灰洞”理论认为,物质和能量在被黑洞困住一段时间以后,又会被重新释放到宇宙中。他在论文中承认,自己最初有关视界的认识是有缺陷的,光线其实是可以穿越视界的。当光线逃离黑洞核心时,它的运动就像人在跑步机上奔跑一样,慢慢地通过向外辐射而收缩。

    黑洞炸弹

    2001年1月,英国圣安德鲁大学著名理论物理科学家乌尔夫·利昂哈特宣布他和其他英国科研人员将在实验室中制造出一个黑洞,当时没有人对此感到惊讶。然而俄《真理报》日前披露俄罗斯科学家的预言:黑洞不仅可以在实验室中制造出来,而且50年后,具有巨大能量的“黑洞炸弹”将使如 今人类谈虎色变的“原子弹”也相形见绌。

    人造黑洞的设想由威廉·昂鲁教授提出,他认为声波在流体中的表现与光在黑洞中的表现非常相似,如果使流体的速度超过音速,那么事实上就已经在该流体中建立了一个人造黑洞现象。但利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足够的引力,除了光线外,无法像真正的黑洞那样“吞下周围的所有东西”。

    俄罗斯科学家亚力克山大·特罗菲蒙科认为,能吞噬万物的真正宇宙黑洞也完全可以通过实验室“制造出来”:一个原子核大小的黑洞,它的能量将超过一家核工厂。如果人类有一天真的制造出黑洞炸弹,那么一颗黑洞炸弹爆炸后产生的能量,将相当于数颗原子弹同时爆炸,它至少可以造成10亿人死亡。”

    捕捉星云

    2011年12月,一个国际研究小组利用欧洲南方天文台的“甚大望远镜”,发现一个星云正在靠近位于银河系中央的黑洞并将被其吞噬。这是天文学家首次观测到黑洞“捕捉”星云的过程。观测显示,这个星云的质量约是地球的3倍,它的位置来逐渐靠近“人马座A星”黑洞。这个黑洞的质量约是太阳的400万倍,是距离我们最近的大型黑洞。研究人员分析认为,到2013年,这个星云将离黑洞非常近,有可能被黑洞逐渐吞噬。

    另外,黑洞并不是实实在在的星球,而是一个几乎空空如也的天区。黑洞又是宇宙中物质密度最高的地方,地球如果变成黑洞,只有一颗黄豆那么大。原来,黑洞中的物质不是平均分布在这个天区的,而是集中在天区的中心。这个中心具有极强的引力,任何物体只能在这个中心外围游弋。一旦不慎越过边界,就会被强大的引力拽向中心,最终化为粉末,落到黑洞中心。因此,黑洞是一个名副其实的太空魔王。

    黑洞内部只有三个物理量有意义:质量、电荷、角动量。

    黑洞无毛

    1973年霍金、卡特尔(B. Carter)等人严格证明了“黑洞无毛定理”:“无论什么样的黑洞,其最终性质仅由几个物理量(质量、角动量、电荷)惟一确定”。即当黑洞形成之后,只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量,其他一切信息(“毛发”)都丧失了,黑洞几乎没有形成它的物质所具有的任何复杂性质,对前身物质的形状或成分都没有记忆。 于是“黑洞”的术语发明家惠勒戏称这特性为“黑洞无毛”。

    对于物理学家来说,一个黑洞或一块方糖都是极为复杂的物体,因为对它们的完整描述,即包括它们的原子和原子核结构在内的描述,需要有亿万个参量。与此相比,一个研究黑洞外部的物理学家就没有这样的问题。黑洞是一种极其简单的物体,如果知道了它的质量、角动量和电荷,也就知道了有关它的一切。黑洞几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的形状或成分都没有记忆,它保持的只是质量、角动量、电荷。消繁归简或许是黑洞最基本的特征。有关黑洞的大多数术语的发明家约克·惠勒,在60年前把这种特征称为“黑洞无毛”。

    宇宙黑洞

    美国天文学家发现了一个源自127亿年前的黑洞,不过这个黑洞距离地球非常遥远,它是在宇宙大爆炸之后的1亿年形成的。但是令所有科学家迷惑的是,是什么力量让这个宇宙黑洞在这么“短”的时间内就形成了这么大质量的黑洞的?这个宇宙黑洞是目前全世界发现的最古老的,已经有天文科学家把它命名为了Q0906+6930,它的质量几乎达到了整个银河系下的恒星质量之和,而它的容量几乎可以装下1000个太阳系。这个黑洞仅仅比宇宙晚形成那么几亿年“而已”,像它这样大容量的黑洞,又这么的古老,真的非常罕见。

    宇宙黑洞只是一个模糊的概念,它既看不到也摸不到,只能通过X射线和伽马射线来确定它的存在和测量它的体积和质量。但是对于这个宇宙黑洞的数据都是估量值,现在已经有一些天文专家准备利用它周围的天体的X射线和伽玛射线来精确测量它的精确数据。类似天体白洞是广义相对论所预言的一种与黑洞相反的特殊天体。和黑洞类似,白洞也有一个封闭的边界,聚集在白洞内部的物质,只能经边界向外运动,而不能反向运动,就是说白洞只向外部输出物质和能量。白洞是一个强引力源,能把它周围的物质吸积到边界上形成物质层。但白洞还是一种理论模型,尚未被观测所证实。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2014-04-24

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