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一口气看完“黑洞简史”

最大恒星级黑洞

2019年11月28日,中国的天文学家通过郭守敬望远镜(LAMOST),发现迄今为止最大恒星级黑洞。这个发现必将带来了研究黑洞的一场革命,相信在未来,科学家还会发现许多不同尺寸的黑洞。

从300多年前,一直持续至今。科学家从预言黑洞可能存在,一直到发现黑洞,再到给黑洞成像,最后到如今,科学家发现了超越理论而存在的黑洞。

关于黑洞的研究持续了上300多年,那这300多年来都发生了什么呢?

今天,我们就来聊一聊:人类探究黑洞的历史

要了解黑洞的历史,我们可以借用“断代”的方法,这样更有利于记忆。我认为,关于黑洞的断代,大概可以分为两段,前黑洞时代黑洞时代

如果要给黑洞的探究史立一个公元纪年,那公元元年大概就是史瓦西从爱因斯坦广义相对论场方程中得到的黑洞解。

因此,前黑洞时代应该是从牛顿万有引力开始,持续到史瓦西预言黑洞的存在。黑洞时代应该是从史瓦西预言黑洞之后一直持续至今。

前黑洞时代

我们先说前黑洞时代说起。1687年,近代科学之父牛顿发表了他一生中最重要的著作《自然哲学的数学原理》。

在这本著作中,牛顿提出了著名的万有引力定律,这个定律告诉我们,物质之间存在着彼此吸引的力,这个力和两个物体的质量成正比,和两个物体之间的距离的平方成反比。

而在这本书中,牛顿得到了著名的逃逸速度公式,这个公式在高中的物理课上是经常会见到的。但我们该如何理解这个逃逸速度呢?

其实牛顿这本书里就已经给我们提供了一个理解逃逸速度的思想实验,这个思想实验叫做:牛顿大炮。关于牛顿大炮,我们要先搞清楚一个问题,那就是地球实际上是一个类球体,可以近似看成一个球。

基于这样的认知,我们就可以得到在大尺度上,地面实际上是个曲面。假设我们有一个理想的大炮,这时候大炮向前开炮,那一般来说,这个炮弹的路径就会是一条抛物线。

但我们要知道的是,会形成抛物线的原因是炮弹有一个水平速度,同时竖直方向上受到了重力,所以在竖直方向上有位移。

但我们要知道,从大尺度上,地面是曲面,因此,也是有向下的趋势。如果炮弹的速度足够快,那就可能出现,地面向下的趋势等同于炮弹下落的位移量。于是,炮弹就可以贴着地球表面飞行了。卫星其实利用的这个原理,而炮弹打出时的速度被我们称为第一宇宙速度,是7.9km/s。

如果炮弹的速度足够快,那就有可能摆脱地球的引力。我们把恰好能摆脱地球引力的速度称为第二宇宙速度,也被称为逃逸速度,这个速度是11.2km/s,可以利用上文中的逃逸速度求出来。这里补充一点,不同的天体的逃逸速度是不一样的。

到了18世纪,当时有一位数学家叫做拉普拉斯,他就提出,宇宙当中会不会存在逃逸速度是光速的天体?拉普拉斯的这个想法应该说是人类最早对于黑洞的构想。不过,当时的观测手段并没有办法观测到黑洞,这事也就没有引起很大的关注。

到了19世纪,爱因斯坦提出了相对论。我们都知道,相对论分为狭义相对论广义相对论

爱因斯坦在狭义相对论统一了时间和空间,将两者并称为时空。后来,他基于狭义相对论,提出了引力的本质是时空的弯曲。比如:月球之所以绕着地球转,是因为地球压弯了时空,月球沿着时空的测地线在运动。

在广义相对论中,爱因斯坦给出了著名的广义相对论引力场方程。这个方程实际上是一组很复杂的偏微分方程。爱因斯坦一开始并不认为这个方程可以在短时间解出来。

可万万没有想到,没过几个月,也就是1916年,还在一战战场上的物理学家史瓦西得到了一个精确的解。这个解如今被我们称为没有转动黑洞的史瓦西解

黑洞时代

史瓦西虽然预言了黑洞的存在,但实际上,对于黑洞的研究进展十分缓慢。在后来的40多年里,只有美国的原子弹之父奥本海默和他的学生提出了一个相关的学说:

恒星在演化过程中,当发生死亡坍缩时,有可能会坍缩成一个致密的奇点。

他们还推导出了一个质量下限:3.2个太阳质量

不过话说回来,爱因斯坦对于史瓦西的研究是持否定态度的。他有两个立足点分别是:

  • 没有观测到任何类似的天体。
  • 史瓦西黑洞是不转的,但是当时所观测到的宇宙中的所有天体都是转动的。

黑洞的突破性发展大概要到上个世界60年代。先是在1963年,著名的数学家克尔(Roy Kerr)通过数学求解的办法,第一次得到了“带旋转黑洞的精确解”。隔年,也就是1964年,科学家用观测的手段发现了第一颗恒星级的黑洞。

也就是说,上世纪60年代,黑洞的研究迎来了两个关键性的突破,既有理论上的,也有观测上的。于是,黑洞的研究正式迈入了快车道。

在接下来的几十年间,先是在1968年,著名的物理学家约翰·惠勒将“黑洞”这个名字进行了推广。

实际上,在他推广之前,黑洞并不叫做黑洞。比如:拉普莱斯就把黑洞叫做黑暗的天体,也有地方把黑暗的天体翻译成暗星的,而奥本海默则称黑洞为冷恒星。

到了1974年,我们熟悉科学家霍金就提出了著名的霍金辐射

霍金辐射让我们知道,黑洞并不是完全就是只吃不吐的,事实上,黑洞也是会蒸发的,只不过这个速度很慢很慢,不仅如此,由于宇宙微波背景辐射的存在,因此,黑洞蒸发几乎是停滞的。

同时,在这几十年间,科学家陆陆续续地发现了许多黑洞,主要集中在恒星级黑洞和超大质量黑洞。到了2015年,LIGO引力波探测器首次观测到了两个黑洞的合并。这两个黑洞都属于恒星级黑洞,其中一个黑洞大概是36个太阳质量,另一个黑洞大概有29个太阳质量。到了2016年,第二次观测到了黑洞合并事件。引力波观测黑洞合并成为了科学家的重要手段。

而到了2019年4月,科学家甚至已经可以对黑洞进行成像了,黑洞的研究迈上了一个新的台阶。而仅仅过了7个月,科学家就观测到了最大恒星级黑洞,而这个恒星级黑洞的质量是突破了理论的预言的,也就是说,以前关于黑洞的研究从理论指导观测,到现在进入到了“观测修正理论”的新篇章。关于黑洞的历史,我们就说到这里。

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