探索宇宙4黑洞不是洞,只能进不能出的'洞'原来是特殊天体

2017-05-25

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。在其发射的X射线宇宙照片中,天文学家发现了最惊人的一幕:那些人们认为已经泯灭了的星体依然放射出比太阳这样的恒星更为强烈的宇宙射线。这证明了长久以来人们的一个大胆的设想:宇宙中确实存在着看不见的“黑洞”

什么事黑洞?要解释这个问题,我们要从万有引力谈起。

牛顿的万有引力定律认为,地球和宇宙间的一切天体,都具有强大的相互吸引力,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离开地球;人们要把卫星送上刚好可以绕地球转动的轨道,不会脱离轨道也不会折回地球,至少需要8千米每秒的速度。我们把这个速度称之为第一宇宙速度;如果我们要把一个飞船送到火星上去,需要彻底摆脱地球引力,冲过绕地球转动的轨道,就需要11千米每秒的速度,我们称之为第二宇宙速度,也称之为表面脱离速度。不同的脱离速度需要的速度不同,与天体的质量密切相关。

那么人们就会好奇,宇宙中是否有一种天体的质量超级大,表面的脱离速度超过了光速,需要30万千米每秒,引力强大到光都跑不出来?

1798年,法国天文学家拉普拉斯从牛顿力学出发,语言了宇宙中可能存在引力超级之大的天体。他认为“宇宙中最明亮的天体,很可能我们根本就看不到它”。他大胆的假说,如果有一个天体的密度或质量足够大,大到一个极限,这时很可能是不可见的。因为光速低于表面脱离速度,无法离开天体到达我们这里。他的预测就是一种早期的黑洞理论。

近代以来,爱因斯坦发飙了广义相对论,越来越多的自然科学家从牛顿力学和广义相对论出发,得了类似的结论,纷纷语言“黑洞”的存在。科学家们提出,一个球形的天体,一旦质量超过太阳的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。根据广义相对论,德国科学家史瓦西计算出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这个值,就很有可能有无限大的引力,包括光在内的一切物质都摆脱不了它的引力。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。

当今的科学家们更加确切的定义黑洞,他们认为黑洞是广义相对论能够预言的一种特殊天体。这种天体有一个封闭的边界叫做“视界”,这是它的基本特征。视界的封闭也是相对而言的,外界的物质和辐射可以进入视界,而视界内部的一切都无法逃脱到外面。光线也出不来,人们就看不到它,这就是黑洞之所以“黑”的原因;任何东西进入就无法出来,黑洞仿佛永远处于饥饿状态,犹如“无底洞”,有人形象地把它称为“星坟”。

人们已经不再质疑是否有黑洞,那么黑洞里面的情况如何呢?由于目前对黑洞还没有直接的观测依据,科学家们只能从理论上推测。假如有一位无畏的科学家乘坐飞船飞向黑洞去,他最先感到的是巨大的吸引力。他要是从窗口望出去,就会看到一个平底锅似圆盘在周围星光的衬托下很显眼。走的跟近,元芳似乎有“地平线”,发出X射线,那似乎深不见底的黑洞便是被这“地平线”包围着。

光线在黑洞附近变形,成为一个光环。宇航员这时要返航是不可能的了,双脚受到巨大的引力使得他像黑洞中飞去。他如同坐在刑具台上,头和脚之间存在着巨大的引力差,这巨大的引力差早在距离“地平线”4800千米之外的地方把他撕碎了。

科学家一直在寻找证明黑洞存在的证据。黑洞本身不能被直接观测到的,但它的引力相当之大,会影响附近的天体的运动。于是人们找到了间接观测黑洞的方法,那就是由附近天梯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告诉旋转,运动轨迹呈现盘状或是喇叭状,而这些物质在高速旋转时会因为摩擦产生高温,同时释放出强大的高能X射线。人们用仪器可以探测到X射线的,所以这类高能辐射也成为证明黑洞存在的重要线索。

经过人类科学家不断探索,终于发现了“天鹅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。估计这个X射线源便是一个黑洞,而且这个黑洞大概拥有8倍太阳的质量。人们还估计,在一个叫M87的椭圆星系的 核心,很可能有一个质量巨大的黑洞,而它有90亿倍太阳的质量。

从这个结了果出发,科学家们大胆地做了个更深一步的设想。他们而认为,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,很有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。正是由于它的巨大的引力,才将银河系中成千上万的恒星吸引住,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。

那么,什么原因导致宇宙中的黑洞形成呢?有人认为,恒星到了它的万年,耗尽全部的核燃料,由于自身引力发生坍缩。如果坍缩物质的质量比太阳大3倍,那么最终的坍缩产物就是黑洞。此类黑洞的质量一般不会很大,不超过太阳质量的50倍。另外有人还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,以致于星和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。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挤得非常紧密,于是产生了“原生黑洞”。

一旦证实了黑洞的普遍存在,那么宇宙不但神秘如同我们的想象,甚至神秘超乎我们的想象。我们知道宇宙仍处于不断的扩张中,这是宇宙大爆炸的结果,爆炸中心的宇宙核是一切物质的 来源。宇宙是否会在宇宙核的物质变得很稀薄时停止扩张?是否会因为个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实了相对论的判断。也许宇宙不会消失在一个黑洞中,那么很可能会消失在几百万个黑洞中。因此,彻底揭开黑洞之谜,还关系着人类对宇宙归宿的追问。

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来自:镜瘾  > 科技天文
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