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事件视界连光都无法逃脱,那么黑洞就真的只吃不吐吗?

2020-02-15

洞可能是整个宇宙中存在的最极端天体,虽然物质或能量的每一个量子都受到引力影响,但无论到哪里,除了黑洞内部,都有其他力能够克服引力。黑洞最重要的特征是存在事件视界,其他类型的天体都没有。虽然黑洞有这样一个区域,那里的引力非常强大,以至于没有任何东西可以逃脱,即使以光速运动的光。黑洞的引力无法逃脱,这可能有漏洞吗?黑洞在任何时候都会吐出东西吗?如果会吐,那么黑洞会吐出光吗?

洞最令人惊讶的事情是:黑洞根本不是黑色的(无论是理论上预测的,还是直接观察到的)。如果黑洞是完全黑的,除了黑洞可能对周围其他物体产生的引力影响外,根本没有办法探测到它们。如果我们有一颗黑洞和一颗恒星在彼此的轨道上运行,就可以简单地通过观察恒星如何随着时间的推移来推断黑洞的存在(和质量的存在)。

当它在轨道上来回摆动时,可以确定存在的另一个天体参数:包括质量、轨道间隔距离,如果测量足够好,甚至可以确定它相对于我们视线的倾角。根据发出的光,可以知道它是一颗恒星、还是一颗白矮星、一颗中子星,或者甚至是一个黑洞(如果根本没有光的话)。

但在我们实实在在的宇宙中,围绕其他恒星旋转的黑洞,实际上是可以通过辐射探测到的。你可能会反驳:因为如果黑洞是空间中任何东西都无法逃脱的区域,即使是光,那么我们怎么能看到来自黑洞本身的辐射呢?这是一个有道理的观点,但你必须理解的是,黑洞视界之外的空间不一定没有物质

事实上,如果附近有另一颗恒星,那颗恒星可以作为丰富的物质来源,能够被虹吸到黑洞上,特别是如果附近的恒星巨大且弥漫的话。特别是这种系统,创造了天文学家所观察到的X射线双星,这就是科学家发现第一个黑洞被探测到的方式如果把物质分解到亚原子水平,物质是由带电粒子组成的当出现在黑洞附近则会:

①快速运动(小于光速)
②与其他物质粒子碰撞
③被加热
④产生电流和磁场
⑤加速
⑥并发出辐射

一些物质将失去动量,落入黑洞,穿过事件视界,增加黑洞的质量。然而,大部分物质根本不会落入其中,而是会流入一个吸积盘(或者更广泛地说,是吸积流),它会经历来自所有加速物质的电磁力结果是,我们会看到两束喷流从黑洞向相反的方向喷出。这些相对论喷流是由粒子组成的,它们与星际介质中的粒子进行动力学相互作用时会发出大量的光。事实上,在星系中心发现的超大质量黑洞中,同样的物理原理也在发挥作用:

落向黑洞的物质基本上被撕裂,流入吸积流,加速,然后以喷流式结构喷射出来。如果你是黑洞视界之外的一个粒子,但由于引力被束缚在黑洞上,你将被迫绕着它沿椭圆轨道运动在你最接近的点时(轨道的近顶点)将以最快的速度移动,这给了你与其他粒子相互作用的最大可能性。如果它们存在,你将经历非弹性碰撞、摩擦、电磁力等,换句话说,是所有导致带电粒子发射辐射的力。

尽管辐射覆盖了从低能无线电波到X射线和伽马射线的整个电磁谱,但它只是所有形式光的总称只要有粒子存在于黑洞视界之外,它们就会产生这种形式的辐射,在相对较近的黑洞以足够快的速度进食情况下,实际上就能观察到这种特征的X射线辐射事实上,甚至可以从我们银河系外观察超大质量黑洞,并发现同样的特征,只是在功率和范围上都有所放大,同样的物理原理也在发挥作用,带电物体在运动中会产生磁场。

这些磁场会沿着一个特定的轴加速粒子,这就是天文学家从远处观察到的相对论喷流产生这些喷流产生粒子和辐射,甚至可以从地球上捕捉到它们,有时甚至在可见光下也能捕捉到它们。在活跃黑洞和进食的某些情况下,甚至可以观察到一种被称为光子球的壮观现象。在黑洞周围,空间结构是如此严重地弯曲,以至于围绕中心质量形成圆形和椭圆形轨道的不仅仅是粒子,甚至还有光子光的本身。

光子球比事件视界稍大一点,对于真实的(旋转)黑洞来说,物理比简单不旋转的情况要复杂得多。然而,空间的极端曲率意味着,这些光子将产生一个从任何远处都能看到的环状结构光环本身比事件视界更大,空间的曲率使得光环的角大小看起来甚至更大,但这是科学家需要计算的事情之一,以便理解为什么人类拍摄第一张黑洞事件视界的图像,出现了著名的甜甜圈形状。然而,所有这一切,尽管可能很有趣,也会发光,但只出现在还没有落下黑洞周围关键空间区域的物质

们都是留在视界之外的东西,我们看不到任何物质实际进入视界内,并物理卷绕到临界边界上所产生的任何东西。然而,如果能创造一个与宇宙中其他一切完全隔离的黑洞(与粒子、辐射、中微子、暗物质、其他质量源等隔离),就会得到黑洞本身产生的弯曲空间。与你通常看到的弯曲空间静态图片不同,任何静止的粒子都会感觉到它所占据的空间被拖着到处走,进入黑洞;这就像是一个粒子俗称的“脚”下空间在运动,就像它基本上是在移动的人行道上一样。

有弯曲的空间,事件视界,还有物理定律。物理定律告诉我们的一件事是:支配宇宙的量子场,即使在没有任何粒子的情况下,仍然存在,不可避免地不断波动。在平坦的空间里,这不是什么大不了的事。能量涨落发生在量子真空中,在平坦的空间中,量子真空处处具有等价的性质但是,当有弯曲的空间,特别是在一个方向(朝向黑洞)比在另一个方向(远离黑洞)弯曲得更严重的空间,不同位置的观察者,会对真空最低能量状态的正确描述存在分歧。

于远离事件视界的人来说,那里的空间看起来是平的,他们会观察到一些来自空间更严重弯曲区域的低能辐射,即使在没有任何粒子的情况下也是如此。这种辐射携带着真实的能量,是量子场在弯曲空间中波动的结果。空间曲率越大,这种辐射(也就是众所周知的霍金辐射)发射的速率就越大。

于远离事件视界的人来说,那里的空间看起来是平的,他们会观察到一些来自空间更严重弯曲区域的低能辐射,即使在没有任何粒子的情况下也是如此。这种辐射携带着真实的能量,是量子场在弯曲空间中波动的结果。空间曲率越大,这种辐射(也就是众所周知的霍金辐射)发射的速率就越大。辐射的能量只有一个可能的来源:从黑洞的质量中窃取

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