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黑洞的秘密

2015-11-07

黑洞是宇宙中最为奇特的物理现象之一,它密度巨大,引力惊人,即便是光也无法逃脱它的“势力范围”。黑洞里面是一个现实世界无法理解的地方,一切现有物理规律,无论是牛顿力学、相对论甚至那本身已经足够怪异的量子论对它都不适用。“黑洞”无疑是本世纪最具争议的天文学说之一,有关黑洞新的理论不断地提出,旧的理论不断被否定,就连天才霍金也曾承认:“关于黑洞我可能弄错了。”然而黑洞这个深奥难懂的话题却吸引了无数人的好奇心,因为它似乎与我们的世界密切相关。请看以下几则新闻报道。


  新闻报道1:在浩瀚的银河系的中心,有一个超级黑洞在不停地吞噬周边的物质。除此之外,银河系中还有成百上千个中型黑洞,它们也在疯狂地吸取物质。人们担心,总有一天,地球也会被黑洞吸进去,人类及其创造的文明就再也回不来了……
  新闻报道2:国外媒体报道,自从蒸汽机被发明以来,人类再一次研制出了在一些人眼中具备“摧毁地球”能力的科学机器,这就是大型强子对撞机(LHC)。这个关于“地球毁灭”故事源于大型强子对撞机的工作原理。粒子物理学家在对撞隧道内加速粒子并进行碰撞,产生出非常高的能量。当这些粒子的质量开始卷曲,并小于史瓦西半径所要求的粒子质量时,就会形成了一个微小的黑洞。人们担心,这个似乎从潘多拉盒子中跑出的怪物开始一点点地吞噬周围的物质,并逐渐长大,直到最后将地球彻底吞掉。
  新闻报道3:英国《每日邮报》报道,俄罗斯宇宙学家维切列夫·道库恰耶夫称,尽管黑洞被认为是太空中最具破坏性的力量,然而它内部的环境条件却适合生命存在,更令人震惊的是,拥有“超级文明”的外星人可能已存在于黑洞里。人们好奇,黑洞中真的存在高等生命吗?
  黑洞为何如此神秘?人们如何能观测到黑洞?银河中的黑洞离我们有多远?黑洞会吞噬地球吗?黑洞内部可能存在外星人吗?本刊记者带着这些问题采访了北京师范大学物理系刘文彪教授,请他就上述问题从科学角度进行了解读。

  黑洞为何如此神秘?
  《百科知识》:在高深的天体物理科学中,“黑洞”似乎是我们最熟悉的词语之一了,但仔细一想,却好像又说不出个所以然来。黑洞到底是什么?
  答:从天文学角度讲,黑洞是一种非常神秘的天体:恒星级黑洞的体积很小,但密度却大得惊人,每立方厘米就有几百亿吨甚至更高。由于它的密度大,所以引力也特别强大。不管什么东西,只要被它吸进去,就别想“爬”出来,连速度最快的光也逃脱不掉黑洞的巨大引力。黑洞按其体积可分为大、中、小三类。我们常说的中型黑洞是大质量恒星在生命终结时,经历爆发、内陷和坍缩后留下的,它是恒星晚期演化的一种归宿。而大型黑洞则存在于很多星系的核心中,包括银河系。小黑洞是一种原初黑洞,可能形成于宇宙早期。小黑洞的体积只有原子核那么大,质量和一座山差不多,达到上亿吨,里面蕴藏的能量相当于10个大型的发电站。
  
  《百科知识》: 我们常说的黑洞是大质量恒星衰亡后坍缩形成的,这个过程是如何实现的?
  答:当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢),由中心产生的能量已经不多了。这样,恒星开始塌缩;如果恒星的剩余质量不大,最后形成白矮星或中子星。但如果剩余的质量超过3~4个太阳的质量,它就再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直到最后形成体积非常小、密度非常大的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度(小于史瓦西半径),质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”诞生了。
  《百科知识》:是不是所有恒星最后坍塌后都形成黑洞?太阳衰亡后也会成黑洞吗?
  答:并不是所有的恒星都能成为黑洞,只有巨大的恒星,即最终剩余的物质质量大于3个太阳质量时,恒星将不断塌缩,巨大的引力将切断星体中所有物质与外界的联系,最终形成黑洞。因为太阳质量小,所以它衰亡后是不会成为黑洞的。
  《百科知识》:为什么黑洞会吸入星际物质?它为什么会有那么强的吞噬能力?
  答:这主要还是通过强大的引力场。一般来说,通常人们提及的黑洞大多是指由于大质量的恒星崩坍后形成了体积足够小、引力场足够强的天体。只要物质进入到其邻近的一定区域内,黑洞就可以吸进包括光线在内的任何东西,使它们无法以任何物理机制获得向外逃逸的机会。宇宙黑洞是靠狂吞周围星体的气体、光线来不断膨胀。 但关键问题是这个“怪物”的胃口到底有多大?这样一直无休止地“大吃大喝”,它是怎么办到的?这在目前还是一个有争论的谜。


人类如何观测到黑洞?
  《百科知识》:由于黑洞本身不发光,所以人类用任何强大的望远镜都看不见黑洞,我们怎样知道它的存在?
  答:我们无法直接观测到黑洞,因为任何东西,包括光线一旦进入其边界就无法逃脱它的吸引,活像一个有魔力的无底洞。但我们却可以间接观测到黑洞。当恒星绕着黑洞转,并最终掉入黑洞时,会非常的亮。尤其是当恒星离黑洞的距离大概是两到三个史瓦西半径时,会发生闪耀现象,这是因为恒星被撕成了碎片。宇宙当中也存在很多气体,气体距离黑洞越来越近的时候,可以通过观测看到是否有黑洞吸积物质。
  《百科知识》:宇宙中有多少黑洞?
  答:黑洞是由于质量大的恒星死亡后,在自身塌陷后形成的密度异常大,引力异常大的天体。因此,只要有质量足够大的恒星,其死亡后,就很可能形成黑洞。可见,宇宙中黑洞数不胜数。银河系中存在数百亿颗恒星,有10亿颗发着黄光的老年恒星。一些科学家认为,如果按常规推测,每天至少有1颗恒星死亡,因此可以判断我们银河系存在的黑洞必定不会少。
  
  《百科知识》:有新闻报道说银河系中央有一个巨大的黑洞?
  答:通过观测发现,每个巨大星系中心都存在超巨大黑洞。银河系中有数百亿颗恒星,他们都在围绕着银河系的中心高速旋转,是什么力量带动这些恒星旋转?一定有一个非同寻常的巨大引力在牵引这些恒星。对这个中心我们无法直接看到其内部,但通过对恒星的运动轨迹的观测,可以算出其中心的质量,据推测它很可能是一个超大质量黑洞,质量大约是太阳的400万倍,但占据的空间很小,通过吞噬周围的星际气体不断成长。也就是说我们所居住的银河系的中心部位,所有银河系的恒星都围绕银心部位可能存在的一个超大质量黑洞公转。目前观测到的距离地球最近的黑洞应该就在银河系中,银河系的直径在13万光年的量级,而太阳距离银河系的中心大约为2.6万光年,因此实际上我们距离银河系的中心黑洞并不遥远。而银河系中太阳系附近的其他恒星系统中,很有可能就有恒星级的黑洞存在,它们和我们的距离有可能更近。
  黑洞会对人类造成威胁吗?
  《百科知识》:您刚才说,银河系中存在很多黑洞,黑洞能够吞噬包括恒星在内的任何物质,只要离它足够近。黑洞又不是固定不动的,那么有一天它游离到太阳系附近,黑洞会吞噬太阳吗?
  答:无论是银河系中心的超大质量黑洞还是恒星级的黑洞,目前看来没有对地球产生异常影响的任何迹象。黑洞确实可以吞掉地球,但问题在于我们地球甚至太阳系并不在黑洞吞噬和吸引范围之内。即使太阳系周围确实存在巨大的黑洞,甚至我们太阳在银河系里围绕着一个黑洞在旋转,这个黑洞就是很强的引力场,这与我们地球围绕着太阳旋转没有本质的区别。
  
  《百科知识》:如果有一天真的在太阳系旁发现了大黑洞,那么对我们有什么影响吗?
  答:像黑洞诞生和形成这样的天文事件是以千万年甚至亿年来计算的。与之相比,人类太渺小和短暂了,所以即使离地球较“近”的黑洞有什么变化,也是极其缓慢的,很难在未来千年的尺度上发生什么大变化,也就不会对地球产生什么实质性的影响。即使是新观测到银河系或其他星系某个黑洞的存在,它也是早已在那里存在,不会因为你发现了它,而有什么异常的变化。宇宙中天体的形成和演化类似于我们地球上生命的诞生和消亡,只是时间和空间尺度更大而已,本是十分平常的事情。我们大可不必为发现了黑洞而担心,因为我们的天文观测可以看到数十亿甚至上百亿光年的距离,是否发现黑洞只是我们对宇宙的认识是否更多一些而已。
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