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文章来源:孝感网 发布时间:2019-11-20 22:36:01  【字号:      】

黑洞其实不太黑,洞也不是那个洞?今晚,盘它!|黑洞|太阳质量|霍金辐射科技

起源:科技日报 记者  刘霞

4月10日,一条新闻将让全世界物理学界为之沸腾:“千呼万唤始出来”,位于全球各地的“事件视界望远镜”(EHT)拍摄到的首张黑洞图像将于当日新颖“出炉”。黑洞,这个恍若鬼魅的天体又开端霸道地侵袭我们的视野。

它是在时光和空间中形成的“洞”,不断吞噬周围物质,增添自己的质量;它也是光子的“牢笼”;它贪得无厌,永不停息地吞噬着周围的一切……这是世人绘制的黑洞的经典图像:既霸蛮又贪吃。但真是如此吗?

黑洞艺术图。图片来源:物理学家组织网黑洞艺术图。图片起源:物理学家组织网

黑洞如何形成:都是引力惹的祸

黑洞如何形成的呢?

中国科学院国度天文台研讨员陆由俊对科技日报记者说:“目前比拟明白的是恒星级质量的黑洞是恒星塌缩的遗骸;而大质量黑洞则有可能由其它机制发生的中等质量黑洞吸积物质长大而成。”

所有的恒星都是核聚变反映炉,在其中,轻元素(重要是氢)聚合成重元素。核聚变进程供给了恒星一生的大部分能量。不过,最终,核燃料耗尽,由中心发生的能量再也无力抗衡外壳宏大的重量,引力开端起主宰作用。

1928年,印度研讨生萨拉·玛尼安·钱德拉塞卡乘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所有燃料之后,多大的恒星可以持续抗衡自己的引力而保持自己——这就是所谓的“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最终归宿具有重大意义。一般来说,如果一颗恒星的质量不到太阳质量的9倍,最终会形成白矮星;9-25个太阳质量左右的恒星会演变至超新星爆发,再最后塌缩为中子星;而约25个太阳质量之上的恒星会形成黑洞。”

当这一恒星压缩到某一临界半径(“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,他是应用爱因斯坦广义相对论方程证明黑洞的确能够形成的第一人)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。

依据相对论,没有东西能行进得比光还快。如果光都逃逸不出来,其他东西更不可能:所有东西都会被引力场拉回去。这样,就呈现了一个事件的聚集或时空区域,光或任何东西都不可能从该区域逃逸而达到远处的察看者——我们将这一区域称谓黑洞,将其边界称作事件视界。

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,吸入大批气体和灰尘;而其他黑洞则很挑食。

比如,此次EHT义务的重要目的,位于银河系中央的“人马座A*”似乎就很挑食,尽管其质量为太阳质量的400万倍,但它的吸积盘却出人意料地暗淡。吸积盘由气体、弥散物质等组成,缭绕黑洞或中子星转动,远远看去,就像一个扁平的盘子。

而此次EHT察看的另一个目的,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。它不仅拥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,这一粒子流延长约5000光年。

同样是超大质量黑洞,为什么“贪吃”的水平差异如此宏大?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:“原因是不同星系核心的环境不一样。有的星系的中心由于受到诸如星系碰撞进程等的扰动,气体沉积到中心黑洞邻近,为黑洞供给了丰盛的食物,以至于它们可以大快朵颐;而有的星系中心区域则比拟安稳,只有少量气体能够达到黑洞邻近,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忱高涨,但其只可远观而不可接近,否则,成果很严重。简略来说,如果你和黑洞靠得太近,你就会就像意大利面一样被拉长。这一现象有个极富创意的名字“意大利面条效应”。之所以会发生这种效应,是因为人体各处受到的引力大小不同。

如果你两脚朝下飞向黑洞,由于你的脚离黑洞更近,它受到的引力将比头部受到的引力要大。更糟糕的是,由于胳膊并非位于身材中心,它们被拉长的方向会与头部的朝向稍有不同,你身材的边沿部位会被拉进身材里。最后的成果是,你的身材不仅被拉长了,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;而量子力学理论表明,落入黑洞的信息可以重新获取,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散,有些信息会以不同的情势释放出来,只不过很难还原和破解。

1985年,剑桥大学教授霍金。这一年霍金因为肺炎失去了说话的才能。

其实,早在此之前的2015年3月,霍金就对黑洞理论进行了修正,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光后,又会被重新释放到宇宙中。霍金还指出,黑洞并非“永恒的牢笼”,某些信息会以不同的情势释放出来。

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,它们是位于事件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灰尘一样。这意味着,尽管落入黑洞的粒子可能已“有去无回”,但部分信息存储在这些“柔软毛发内”,连续在黑洞边界逡巡。

霍金说明说:“我以为,信息不像大多数人认为的那样被存储在黑洞内部,而是被存储在事件视界上。进入黑洞的粒子的信息确切返回到空间了,但采取一种混沌且无用的情势。返回的信息与烧焦的百科全书差不多,从理论上来说,信息并没有丧失,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,霍金用他那著名的机器人声音说:“黑洞不是人们一度认为的那种永久的监狱。如果你感到陷入了黑洞,不要废弃。有路可逃。”

终极命运:或随时光蒸发殆尽

黑洞的最终命运如何呢?

1973年霍金在曲折时空量子场论的研讨中发明本来“黑洞不黑”!底本经典理论上“一毛不拔”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,这就是霍金辐射!

尽管霍金的这一想法刚提出时受到了广泛的质疑,但后来,大部分科学家都得出结论称:如果我们关于广义相对论和量子力学的其他观念是准确的,那么黑洞必需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事件视界之内逃逸出来,黑洞怎么可能发射粒子呢?量子理论给我们的答复是,粒子不是从黑洞里面出来的,而是从紧靠黑洞的事件视界的外面的“空虚的”空间来的。

霍金在《时光简史》中说明称,“空虚的”的空间充斥虚粒子反粒子对。它们被一同创生,相互分开,然后再回到一起并且湮灭。如果黑洞存在,带有负能量的虚粒子落到黑洞里可能会变成实粒子或者反实粒子。这种情况下,它不再须要和它的伴侣相互湮灭了。它被摈弃的伴侣可以落到黑洞中去。或者由于它具有正能量,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黑洞视界邻近的正反粒子对

而且,黑洞的质量越小,其温度就越高。这样,随着黑洞丧失质量,它的温度和发射率增添,导致其质量丧失得更快。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光与宇宙的年纪相仿。

由于逃离黑洞的辐射过于捉摸不定,因此“霍金辐射”很难得以证实。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,他们发明了足以支撑“霍金辐射”理论的明白证据,但相关研讨仍有待进一步证实。

物理学界的江湖传播着很多关于黑洞的传说,孰真孰假,唯有等候时光和科学来检验。




(责任编辑:管喜德)

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