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关于黑洞这9个特性的科普还真不多,速度点开!

作者: 编辑:张婷 来源:腾讯新闻客户端 发布时间:2018-02-11 10:37:54

  (文/Philip Plait,译/Shea)黑洞也许是宇宙中最神奇的天体,因为连光都无法逃脱它的引力。从宇宙漏斗到时空穿梭机,在它身上似乎只有你想象不到的,没有它做不到的。于是,大家无不为对它着迷神往。但毫无疑问的是,我们并不真的了解黑洞。下面就是关于黑洞你可能不知道的9件事情。

  

  黑洞源自恒星


  黑洞最常见的出生地位于大质量恒星的核心。它在耗尽氢燃料之后就会坍缩,坍缩会释放出激波,将恒星的外部包层炸飞,变成一颗超新星。因此,当恒星的外部在向外爆发的时候,它的核心却在向内坍缩。


  当核心坍缩时,引力就会增大。如果核心的质量足够大(大约3个太阳质量),引力就会变得非常强,使得坍缩核心表面的逃逸速度超过光速。这就意味着没有任何东西能逃离这个天体,即便光也不行,所以它是黑的。


  在黑洞周围有一个区域,其中的逃逸速度等于光速,该区域被称为视界。任何发生在视界之内的事件都永远无法被视界之外的人看到。这就是宇宙漏斗的成因。


  是尺寸令黑洞如此异禀


  和通常所想象的不同,黑洞拥有如此怪异特性的原因并不在于它的质量有多大(毕竟比黑洞质量大的天体有的是),而在与它的体积有多小。


  也就是说,只有巨大的质量被塞入一个非常小的体积内之后,才能制造出黑洞。那么,到底要多小呢?假设太阳的质量不变,如果要把它变成一个黑洞,那么它的半径就要缩小232,000倍到3千米。


  有意思的是,在你把太阳“挤压”成一个黑洞的时候,其外部的引力效应并不会发生改变。也就是说,当你蒙上地球的双眼,她全然不会察觉牵动她运动的是太阳还是黑洞。唯一发生变化的地方在已经变成黑洞的太阳的内部和附近。


  黑洞内部并非无穷小


  黑洞的视界将它的内部与我们可见的宇宙隔绝了开。对于一个由恒星坍缩而来的黑洞而言,在这些恒星物质身上究竟发生了什么?


  回答是,我们也许永远也搞不清楚。由于视界的存在,我们无法看到这些坍缩的物质,因为它们所发出的光无法到达我们(黑洞是一个连光都无法逃逸的地方)。不过物理学和数学可以帮助我们,即使它们位于视界的内部。


  这些物质会继续坍缩,而引力则会继续增强。越来越小,越来越小,最终它们会坍缩成一个没有维度的几何点。很多书上都这么写,但事情却并不是这样。坍缩的物质会小于一个原子、一个原子核、一个电子,最终抵达“普朗克长度”的大小。在量子力学中,普朗克长度是一个尺度上的极限。对于一个小于这一极限的物体,我们将无法确知它的信息。确切的物理学很复杂,但是即便你能穿透视界进入黑洞内部,只要坍缩的物质达到了这个尺度,你就无法测量它的确切大小。


  那么普朗克长度有多小?非常非常小:10-35米。


  黑洞绝对不是管道状


  对于某个物体而言,你所感受到的它的引力取决于两个因素:这个物体的质量和它到你的距离。这意味着,只要到某个物体的距离相同,不同的人所感受到的引力是相同的。如果把所有这些引力相同的点串联起来,就能得到一个引力体位于其中心的球面。


  黑洞视界的大小取决于引力,因此视界是一个包裹着黑洞的球面。如果你有办法从外面看到视界,它看上去会像是一个黑色的球面。


  有些人把黑洞想象成一个圈或者是管道状的。“管道”是在解释引力对空间的弯曲中经常所用的图释,这时坍缩的3维空间被简化成了2维空间。空间被想象成了一张床单,大质量天体对空间的弯曲就和把一个保龄球放在床单上的效果一样。但空间不是2维,是3维的(如果算上时间就是4维的),因此这个解释就会让人们对黑洞视界的形状产生误解。


  黑洞会转动


  听上去有点奇怪,不过黑洞确实会转动。恒星会自转,它的核心也会转动。当恒星的核心坍缩地越来越小时,它的自转就会越来越快。这就像花样滑冰运动员通过收回张开的手臂来加快自身的转速一样。如果核的质量不足以形成黑洞,它就会形成一颗直径只有几千米的中子星。目前已经发现了数百颗中子星,它们自转的速度非常快,有时甚至可以达到每秒钟100圈。


  黑洞也是如此。即便恒星的核心已经收缩到小于视界的大小并且永远和外部的宇宙失去了联系,但它却仍然在转动。问题来了,转动的离心力会使得这些物质无法坍缩到普朗克长度吗?虽然其中的数学计算极为冗长,但回答是肯定的。不过我们永远也无法看到这一切,因为它们发生在视界的内部。


  黑洞附近事情会变得诡异


  黑洞会扭曲时空结构。而如果黑洞拥有自转的话,静止黑洞的球形视界就会被破坏。


  这会在视界之外产生一个被称为能层的椭球形区域。如果你处于能层和视界之间的话,你会发现你无法静止了。事实上,这个时候空间会被黑洞拖曳着运动。你可以很容易地沿着黑洞转动的方向运动,但如果你想悬停,那将是不可能的任务。而在能层的内部,空间运动的速度会超过光速!按照爱因斯坦的相对论,虽然物质不可能运动得如此之快,但空间本身却可以。


  黑洞并不总是黑的


  很少有物质会直接掉入黑洞进而消失。稍有偏差,它们就会绕着黑洞转动。随着物质的增多,它们就会在黑洞周围聚集起来。由于在转动,这些物质会形成一个围绕黑洞高速转动的盘,加之黑洞的引力随着距离会变化,因此靠近黑洞的物质其运动的速度要远远超出外围的。这一运动速度上的不一致就会产生剧烈的摩擦,从而使得物质被加热到数百万度的高温,于是黑洞附近的物质就会发出极为明亮的辐射。


  更糟糕的是,磁场会驱动物质从中心向垂直于盘的两侧喷出。这两条喷流的发源地就在黑洞的外围,但在几百万甚至数十亿光年之外都能被看见。


  连光都无法逃逸的黑洞却通过吞噬物质成为了宇宙中最明亮的天体。


  黑洞会变大


  当两个黑洞碰撞的时候会发生什么?它们会形成一个更大的黑洞。类似地,黑洞吞食其他物质也会长大。在早期宇宙中当星系正在形成时,婴儿星系核心处的物质会坍缩成一个质量极大的黑洞。随着越来越多的物质掉入其中,黑洞会贪婪地消化它们进而生长。最终它会长成一个超大质量黑洞,质量达到太阳的数百万甚至数十亿倍。


  不过,就像刚才说的,掉入黑洞的物质会被加热到极高的温度。由此所发出的辐射会把物质向外推,阻止它们下落。随着时间的流逝,停留在黑洞周围的气体和尘埃会形成恒星。但相比于气体,恒星远没有那么容易掉入黑洞。最终由于没有更多的物质落入黑洞,它便停止了生长。


  今天,在银河系的中心就有这么一个超大质量黑洞。它的质量是太阳的400万倍,距离太阳26,000光年。


  黑洞的密度可以堪比空气


  对很多人来说,这是非常奇怪且有意思的一点。


  随着质量的增大,黑洞的视界也会变大。物理法则告诉我们,黑洞视界的半径和它的质量呈正比。也就是说,如果黑洞的质量增大到原来的2倍,其视界的半径也会增大2倍,它的体积则会增大8倍(前面说了视界是个球面)。我们知道,密度表征了某个给定体积内包含了多少质量的物质。好了,魔术开始了。


  拿一个普通的黑洞,它的质量通常为太阳的3倍,视界的半径为9千米,此时它的密度为每立方厘米2千万亿克。但如果你把它的质量翻一倍,其密度就会减少到原来的1/4;质量增大10倍,密度就会减少100倍。对于一个在星系团中常见的、10亿个太阳质量的超大质量黑洞而言,它的密度只有每立方厘米0.001克,和地球上的空气密度一样。

 

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