那么,黑洞究竟是什么?黑洞是黑的吗?我们如何“看”到黑洞呢?一旦进了“洞”,谁都别想出来

文章作者:管理一号 | 2019-11-30
 

 

黑洞是个既陌生又熟悉的话题。它经常出现在科幻著作中,被描绘成拥有着吸尘器般巨大吸引力、并且隐身的贪婪怪兽。前几年火遍大江南北的《星际穿越》展现了一个穿着发光腰带的黑洞——卡冈图雅。让我们不由疑惑,黑洞周围原来也能发光?

一旦进了这个“洞”,谁都别想出来

卡冈图雅

前日(北京时间2019年11月28日)凌晨,世界顶尖科学期刊《天然》在线发布了我国天文学家主导的一项严重发现。中国科学院国家天文台刘继峰研讨员、张昊彤研讨员领导的研讨团队发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞。这个严重进展恐怕也刷爆了大家的朋友圈。

那么,黑洞究竟是什么?黑洞是黑的吗?我们如何“看”到黑洞呢?

一旦进了“洞”,谁都别想出来

最简略的黑洞模型是不带电也不转动的黑洞。这个模型源自1916年德国天文学家卡尔·史瓦西通过求解爱因斯坦引力场方程得到的一个精确解,该模型也因而得名史瓦西黑洞模型。

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史瓦西 (图片来源:维基)

在这个模型中,黑洞中心是奇点,奇点是个时空被无限曲折的区域,那里密度无限大;黑洞的构成使时空由视界分成了两部分——视界内和视界外。物质和光可以从视界外进入视界内,反之不可。这是由于在黑洞的视界内,引力很强,以至于连光都无法逃离。如果连光也出不来,那里面便是黑的,这也是它得名“黑洞”的主要原因。

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视界 (图片来源:维基)

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重要-视界半径整体效果 (图片来源:维基)

视界就像是现实生活中的地平线。视界以内就像是地平线以下,是我们无法看到的地方;视界以外就像是地平线以上。我们能看到视界之外,却无法看到视界之内。而视界的巨细(视界面到奇点的间隔)主要取决于黑洞的一个重要参数——质量。

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致密天体的质量范围 (图片来源:NASA)

要完整描述一个黑洞,就只需求知道三个参量:质量,相当于有多重;电荷,带不带电,带正电仍是负电,带多少电;角动量,指黑洞是否滚动,滚动的能力和方向怎么。知道了它们三个参量,便知道了一切。这便是“黑洞无毛定理”。在我国,因为有着著名的漫画人物“三毛”,咱们又称无毛定理为三毛定理。

在角动量和电荷参量相同的情况下,黑洞质量越大,视界就越大;质量越小,视界就越小。如果把咱们的太阳压缩到直径3千米那么大,太阳内的物质将不断缩短塌陷,直至被挤压到奇点处,成为一个黑洞。

相较于史瓦西模型,宇宙中的黑洞很可能是转动的、有质量的黑洞,但大多黑洞是不带电的。

依据质量,天文学家们将宇宙中的黑洞分成三类:恒星级质量黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。恒星级质量黑洞,几倍-几百倍太阳质量;超大质量黑洞,几百万倍太阳质量以上;而中等质量黑洞,质量位于两者之间。

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超大质量黑洞  (图片制作:李兆聿,上海天文台,背景图片来源:NASA和Misti Mountain Observatory)

目前普遍认为,恒星级质量黑洞,是大质量恒星演化到晚期,发生超新星爆炸之后留下的残骸。而超大质量黑洞,是更小质量的黑洞发生并合以及吞噬物质构成的。

要想“看到”黑洞,其实也没那么容易

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首张黑洞照片M81(图片来源:EHT)

北京时间2019年4月10日,全球多地和谐举行发布会,发布了人类的首张黑洞相片,供给了黑洞的首个直接视觉依据。在这次拍照前,主要有三类代表性依据能够证明黑洞的存在:

1. 恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞有强引力,对周围的恒星、气体会产生影响,可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。

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第一次探测到的引力波信号GW150914  (图片来源:LIGO)

2. 依据黑洞吸积物质(科学家们把这个过程比方成“吃东西”)宣布的光来判别黑洞的存在。在黑洞强引力的作用下,周围的气体向黑洞下落,在距离黑洞几倍到几万倍视界的地方形成一个发光的腰带——吸积盘。以超大质量黑洞为例,如果把黑洞的吸积盘区域比作一个黄豆,一般星系就相当于一个身高5万米的伟人,虽说黄豆般大小的活跃黑洞比伟人般的星系小千万倍,但每秒钟宣布的能量却要强很多。这种小尺度、大能量的性质使咱们揣度它很可能是黑洞。

3. 通过勘探到黑洞生长的过程勘探黑洞。LIGO勘探的五次引力波都对应了恒星级质量黑洞的并合事情,见证了更小的黑洞借助并合生长为更大黑洞的过程。这类引力波的发现,也是咱们推断黑洞存在的证据之一。

探索黑洞,也是为了更好地探索宇宙

天文学家们发现,至少在近邻星系中,黑洞质量越大,它所居住的星系也具有更大质量的核球,核球中恒星的速度弥散也更大。这一现象预示了黑洞和星系像是约好一般进行协同演化。通过观测数据,再综合理论研究、计算机模仿,就能帮助回答黑洞的成长问题、黑洞与宿主星系的关系。

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黑洞质量和寄主星系核球质量之间的关系  (图片来源:网络)

世界早期的黑洞宣布的光要经过漫绵长路,穿越星(系)际物质时部分会被吸收。因而咱们得到的光谱中有着很多的吸收线,这些吸收线构成星际物质留给咱们的“脚印”,为咱们研讨世界中物质散布和全体结构供给了史无前例的协助。

世界早期的黑洞宣布的光要经过漫绵长路,穿越星(系)际物质时部分会被吸收。因而咱们得到的光谱中有着很多的吸收线,这些吸收线构成星际物质留给咱们的“脚印”,为咱们研讨世界中物质散布和全体结构供给了史无前例的协助。

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