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宇宙中黑洞真的存在吗?如何形成的?怎么被观测到的?——黑洞!
发布时间:2019-07-08
 

为了研究太空中看不见的光线,美国宇航局研制发射了高能的天文观察系统。在其发回的X射线宇宙照片中,天文学家发现了惊人的一幕:那些人们认为已经湮灭了的星体依然能发射出比太阳这样的恒星体更为强烈的宇宙射线。这证明力长久以来人们的一个大胆设想:宇宙中确实存在着看不见的“黑洞”。

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什么是黑洞呢?要解释这个问题,我们要先从万有引力谈起。

牛顿的万有引力定律认为,地球和宇宙的一切天体,都具有强大的互相吸引力,它们能牢牢地吸引住附近的一切物体。比如地球的引力吸引着地表的物质使之不能随意地飞离地球;人们想要把人造卫星送上为绕地球运行的轨道,至少要使发射的火箭每秒钟7.9千米的速度。如若不然,因为地球的引力,人造卫星就会被拉回地面,我们称这个速度为第一宇宙速度;如果我们要把一直飞船送到火星上去,也就是说要让飞船摆脱地球引力的控制,那么发射的火箭就要把速度提到每秒11.2千米,这个速度叫作第二宇宙速度,又被称为天体的表面脱离速度。不同天体的表面脱离速度也不同,这与质量关系密切。比如说,月球的质量比地球小,表面脱离速度就比地球的表面脱离速度小很多;而太阳的质量比地球大许多倍,表面脱离速度就会相应大许多。

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尴尬了啊

那么人们不禁要问:有没有可能在宇宙中有这样一些天体,它们的表面脱离速度能超过每秒30万千米,比光速还要大?它自己的引力如此之大,以至于连它所发射的光都跑不出来?

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1798年,法国天文学家拉普拉斯从牛顿力学出发,预言了宇宙中可能存在引力如此之大的大天体。他认为宇宙中最明亮的天体,很可能我们根本就看不到它。他大胆地假设说,如果有一个天体的密度或质量很大,达到了一个限度,这时它很可能是不可见的。因为光速也低于它表面脱离速度,也就是说,光无法离开它而最终到达我们这里。他的预测其实就是一种早期的黑洞理论。

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近代以来,爱因斯坦发表了广义相对论,越来越多的自然科学家从牛顿力学和广义相对论出发,得出了类似结论,纷纷预言黑洞的存在。依据牛顿的万有引力理论,科学家得出,一个球形的天体,一旦它的质量超过太阳质量的2倍,就可能引发“引力崩溃”。也就是说,它可能会向自己的中心引力坍缩,成为一个体积无限小、质量无限大的质点。依据爱因斯坦的广义相对论,德国科学家史瓦西计算出了一个可能具备无穷大引力的天体半径。他进一步阐述说,一个天体一旦半径达到了这个大小,就很有可能无限大的引力,任何物质都不能从它那儿逃脱出来,只能被它吸引进去。即便光线速度极快,也“难逃噩运”。这个有能力把一切吸引住的地方,人们无法看到它,因而称之为黑洞。

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当今科学家更加确切地定义了黑洞,他们认为黑洞是广义相对论能够预言的一种特殊天体。这种天体具有一个封闭的边界称为“视界”,这时它最基本的特征。世界的封闭也是相对而言的,外界的物质核辐射可以进入视界,而视界内的一切都无法逃逸到外面去。更简单地说,黑洞不像外界发射和反射任何光线,人们根本没办法看到它,这就是黑洞之所以“黑”的原因;同时任何东西一旦进入期中,就再也出不来了。黑洞似乎永远都处于饥饿的状态,是个填不饱的“无底洞”,有人形象地把它叫做“星坟”。

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黑洞的构造:

所有的黑洞基本结构相同,中心的奇点部分被一个不可见的边界围绕着,我们称它为“视界”,没有东西可以从里面逃出来。视界的尺码叫史瓦西半径,它的名字得自于一个认识到它的重要性的物理学家。旋转的黑洞就更复杂了。


人们已不再质疑是否有黑洞,科学家一直在寻找能说明黑洞存在的证据。黑洞本身是不能被直接观测到的,但它有相当大的引力场,这就会影响附近天体的运动。于是人们找到了间接观测黑洞的方法,那就是由附近天体的运动来推测黑洞的存在。如果有物质落向黑洞,当它接近但还没有到达视界时,就会围绕着黑洞外围做高速旋转,运动轨迹呈盘状或喇叭状,而且这些物质在高速旋转时会因为摩擦而产生高温,同时释放出强大的高能X射线。人们用仪器是可以探测到X射线的,所以这类高能辐射也成为了科学家们寻找黑洞的重要线索。根据这一点,天文学家开始在浩瀚的宇宙中细细搜寻。终于,人们发现在天鹅座附近有奇特的强X射线源,这就是著名的“天鹅座X-1射线源”,有一颗比太阳大20倍的亮星和它相互围绕着旋转。天文学家们估计,这个X射电源便是一个黑洞,而且这个黑洞大概拥有8倍太阳的质量。人们还在估计,在一个名叫M87的椭圆星系的核心,存在着一个质量巨大的黑洞,而它甚至有90亿倍太阳的质量。

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从这些结果出发,科学家们大胆地做了更深一步的设想。他们认为,在整个宇宙中,普遍存在着黑洞,而且组成宇宙的主要天体很有可能就是黑洞。他们还进一步预言,在银河系中心,很可能也存在着一个质量相当于500万个太阳质量的巨大黑洞。正是由于它巨大的引力,才将成千上万颗恒星吸引住,这些恒星和气体的运行速度极快,而且都围绕着银河系中心旋转,成为一个十分巨大的集合体,银河系由此而成。

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那么,是什么原因导致宇宙中黑洞的形成呢?有人认为,恒星到了晚年,耗尽全部的核燃料,由于自身引力会发生坍缩。如果坍缩物质的质量比太阳质量大3倍,那么最终坍缩产物就是黑洞。此类黑洞的质量一般不会很大,不超过太阳质量的50倍。另外还有人认为,由于在星系或球状星团的中心部分密集分布了很多恒星,以至于星与星之间极易发生大规模的碰撞,导致超大质量天体的坍缩,质量超过太阳1亿倍的黑洞就这样形成了。

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还有一种说法认为,也许是在宇宙大爆炸时,产生了极为强大的力量,一些物质被如此强大的力量积压的非常紧密,于是产生了“原生黑洞”。

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一旦证实了黑洞的普遍存在,宇宙的神秘甚至超乎我们的想象。我们知道宇宙仍处于不断地扩张中,这时宇宙大爆炸的结果,爆炸中心的宇宙核仍是一切物质的来源。宇宙是否会在宇宙核的物质变得很稀薄时停止扩张?是否会因为各天体的自身引力而导致收缩?相对论的回答是肯定的,黑洞的存在部分地证明了相对论的判断。

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也许宇宙不会消失在一个黑洞中,却很可能会消失在几百万个黑洞中。因此,彻底地揭开黑洞之谜,还关系着人类对宇宙归宿的追问。

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科学家理论设想中的时空隧道——蠕虫洞。