黑洞如何形成的呢?

文章作者:管理一号 | 2019-04-10
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4月10日,一条消息将让全国际物理学界为之欢娱:“千呼万唤始出来”,位于全球各地的“工作视界望远镜”(EHT)拍摄到的首张黑洞图像将于当日新鲜“出炉”。黑洞,这个恍若鬼魅的天体又初步霸道地侵袭我们的视界。

它是在时间和空间中构成的“洞”,不断吞噬周围物质,增加自己的质量;它也是光子的“牢笼”;它得陇望蜀,永不暂停地吞噬着周围的悉数……这是世人制造的黑洞的经典图像:既霸蛮又贪吃。但真是如此吗?

黑洞艺术图。图片来历:物理学家组织网

黑洞怎样构成:都是引力惹的祸

黑洞怎样构成的呢?

中国科学院国家天文台研讨员陆由俊对科技日报记者说:“现在比较明晰的是恒星级质量的黑洞是恒星塌缩的遗骸;而大质量黑洞则有或许由其它机制发作的中等质量黑洞吸积物质长大而成。”

全部的恒星都是核聚变反应炉,在其间,轻元素(首要是氢)聚组成重元素。核聚变进程供应了恒星终身的大部分能量。不过,毕竟,核燃料耗尽,由中心发作的能量再也无力敌对外壳巨大的重量,引力初步起操作作用。

1928年,印度研讨生萨拉·玛尼安·钱德拉塞卡搭船来英国剑桥学习天文学。在来英途中,钱德拉塞卡算出在耗尽全部燃料之后,多大的恒星可以持续敌对自己的引力而坚持自己——这便是所谓的“钱德拉塞卡极限”,约为1.44倍太阳质量。

陆由俊说明说:“这一值对大质量恒星的毕竟归宿具有重大意义。一般来说,假设一颗恒星的质量不到太阳质量的9倍,毕竟会构成白矮星;9-25个太阳质量左右的恒星会演化至超新星爆发,再毕竟塌缩为中子星;而约25个太阳质量之上的恒星会构成黑洞。”

当这一恒星收缩到某一临界半径(“史瓦西半径”,以德国物理学家、天文学家卡尔·史瓦西的名字命名,他是运用爱因斯坦广义相对论方程证明黑洞确实可以构成的第一人)时,其表面上的引力变得如此之强,以至于光线再也逃逸不出去。

根据相对论,没有东西能行进得比光还快。假设光都逃逸不出来,其他东西更不或许:全部东西都会被引力场拉回去。这样,就出现了一个工作的集结或时空区域,光或任何东西都不或许从该区域逃逸而抵达远处的查询者——我们将这一区域称谓黑洞,将其距离称作工作视界。

黑洞都是来者不拒?有些很“挑食”

据物理学家组织网4月6日报道,一些黑洞是贪婪的贪食者,吸入许多气体和尘土;而其他黑洞则很挑食。

比方,此次EHT任务的首要政策,位于银河系中心的“人马座A*”如同就很挑食,尽管其质量为太阳质量的400万倍,但它的吸积盘却出乎意料地暗淡。吸积盘由气体、弥散物质等组成,盘绕黑洞或中子星翻滚,远远看去,就像一个扁平的盘子。

而此次EHT查询的另一个政策,即M87星系中的黑洞,则是一个贪婪的食客,其质量介于35亿至72.2亿太阳质量之间。它不只具有一个非常明亮的吸积盘,而且,它还喷射出明亮、快速的带电亚原子粒子流,这一粒子流延伸约5000光年。

同样是超大质量黑洞,为什么“贪吃”的程度不同如此巨大?这一问题一直以来都是困扰天体物理学家的难题。

陆由俊说明说:“原因是不同星系中心的环境不相同。有的星系的中心由于遭到比方星系磕碰进程等的扰动,气体沉积到中心黑洞附近,为黑洞供应了丰盛的食物,以至于它们可以大快朵颐;而有的星系中心区域则比较平稳,只需少量气体可以抵达黑洞附近,使得黑洞不得不浅斟慢酌。”

只可远观:会把人变成意大利面

尽管人们对黑洞的热情高涨,但其只可远观而不可靠近,否则,成果很严重。简略来说,假设你和黑洞靠得太近,你就会就像意大利面相同被拉长。这一现象有个极富构思的名字“意大利面条效应”。之所以会发作这种效应,是由于人体遍地遭到的引力大小不同。

假设你两脚朝下飞向黑洞,由于你的脚离黑洞更近,它遭到的引力将比头部遭到的引力要大。更糟糕的是,由于胳膊并非位于身体中心,它们被拉长的方向会与头部的朝向稍有不同,你身体的边沿部位会被拉进身体里。毕竟的成果是,你的身体不只被拉长了,而且还变细了。因此,还没等你(或其他物体)抵达黑洞中心,你就早早地变成了一根意大利面条。

被黑洞拉成意大利面条的宇航员

并非永久监狱:信息可从中逃逸

经典黑洞理论以为,任何物质和辐射都不能逃离黑洞;而量子力学理论标明,落入黑洞的信息可以从头获取,这个所谓的“信息悖论”已困扰科学界40年。

2016年1月,霍金等人提出:落入黑洞的粒子的信息部分并没有消失,有些信息会以不同的方法释放出来,只不过很难恢复和破解。

 

1985年,剑桥大学教授霍金。这一年霍金由于肺炎失去了说话的才干。

 

其实,早在此之前的2015年3月,霍金就对黑洞理论进行了批改,宣称黑洞实际上是“灰色的”。新“灰洞”理论称,物质和能量被黑洞困住一段时间后,又会被从头释放到国际中。霍金还指出,黑洞并非“永久的牢笼”,某些信息会以不同的方法释放出来。

现在,霍金同哈佛大学的安德鲁·施特勒明格和剑桥大学的马尔科姆·佩里提出了新理论:让信息“逃逸”的黑洞裂口由“柔软的带电毛发”组成,它们是位于工作视界上的光子和引力子组成的粒子,这些能量极低甚至为零的粒子能捕获并存储落入黑洞的粒子的信息,就像人的鼻毛能捕获尘土相同。这意味着,尽管落入黑洞的粒子或许已“有去无回”,但部分信息存储在这些“柔软毛发内”,持续在黑洞距离逡巡。

霍金说明说:“我以为,信息不像大多数人以为的那样被存储在黑洞内部,而是被存储在工作视界上。进入黑洞的粒子的信息确实回来到空间了,但选用一种混沌且无用的方法。回来的信息与烧焦的百科全书差不多,从理论上来说,信息并没有丢掉,但很难进行翻译和破译。”

在美国《纽约时报》2016年6月8日的报道,霍金用他那出名的机器人动静说:“黑洞不是人们一度以为的那种永久的监狱。假设你觉得陷入了黑洞,不要丢掉。有路可逃。”

终极命运:或随时间蒸发殆尽

黑洞的毕竟命运怎样呢?

1973年霍金在弯曲时空量子场论的研讨中发现原本“黑洞不黑”!原本经典理论上“惟利是图”的黑洞在黑洞量子力学中也可以通过必定的机制发射黑体辐射,这便是霍金辐射!

尽管霍金的这一主见刚提出时遭到了广泛的质疑,但后来,大部分科学家都得出结论称:假设我们关于广义相对论和量子力学的其他观念是正确的,那么黑洞有必要像热体那样发射粒子和辐射。

但我们又知道,任何东西都不能从黑洞的工作视界之内逃逸出来,黑洞怎样或许发射粒子呢?量子理论给我们的答复是,粒子不是从黑洞里面出来的,而是从紧靠黑洞的工作视界的外面的“空无的”空间来的。

霍金在《时间简史》中说明称,“空无的”的空间布满虚粒子反粒子对。它们被一起创生,互相脱离,然后再回到一起而且湮灭。假设黑洞存在,带有负能量的虚粒子落到黑洞里或许会变成实粒子或许反实粒子。这种现象下,它不再需求和它的伴侣互相湮灭了。它被丢掉的伴侣可以落到黑洞中去。或许由于它具有正能量,也可以作为实粒子或反实粒子从黑洞的附近逃走。

黑洞视界附近的正反粒子对

而且,黑洞的质量越小,其温度就越高。这样,跟着黑洞丢掉质量,它的温度和发射率增加,导致其质量丢掉得更快。因此,小质量的黑洞,霍金辐射强,它们很快就会蒸发掉,一个10^15克的黑洞被蒸发掉所需的时间与国际的年岁相仿。

由于逃离黑洞的辐射过于捉摸不定,因此“霍金辐射”很难得以证明。不过,据国外媒体2016年4月底报道,来自美国和以色列的两个独立研讨团队称,他们发现了足以支撑“霍金辐射”理论的明晰根据,但相关研讨仍有待进一步证明。

物理学界的江湖流传着许多关于黑洞的传说,孰真孰假,唯有等候时间和科学来查验。

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