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黑洞(Black hole)是根據現代的廣義相對論所預言的,在宇宙空間中存在的一種質量相當大的天體。黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡后,發生引力坍縮而形成。黑洞質量是如此之大,它產生的引力場是如此之強,以至於任何物質和輻射都無法逃逸,就連光也逃逸不出來。由於類似熱力學上完全不反射光線的黑體,故名為黑洞。在黑洞的周圍,是一個無法偵測的事件視界,標誌著無法返回的臨界點。

1 黑洞 -概述

黑洞所謂「黑洞」,就是這樣一種天體:
它的引力場是如此之強,就連光也不能逃脫出來

黑洞是一個空間——時間區域,它的最外圍是光所能從黑洞向外到達的最遠距離,這個邊界稱為「事件視界」。它如同一個單向的膜,只允許物質穿過視界並落到黑洞里去,但沒有任何物質能夠從裡面出來。

「黑洞」很容易讓人望文生義地想象成一個「大黑窟窿」,其實不然。所謂「黑洞」,就是這樣一種天體:它的引力場是如此之強,就連光也不能逃脫出來。說它「黑」,是指它就像宇宙中的無底洞,任何物質一旦掉進去,「似乎」就再不能逃出。實際上黑洞真正是「隱形」的。

2 黑洞 -研究歷史

歷史上,第一個意識到一個緻密天體密度可以大到連光都無法逃逸的人是英國地理學家John Michell。他在1783年寫給亨利·卡文迪什一封信中提出這個想法的,他認為一個和太陽同等質量的天體,如果半徑只有3公里,那麼這個天體是不可見的,因為光無法逃離天體表面。1796年,法國物理學家拉普拉斯曾預言:「一個質量如250個太陽,而直徑為地球的發光恆星,由於其引力的作用,將不允許任何光線離開它。由於這個原因,宇宙中最大的發光天體,卻不會被我們看見」。

現代物理中的黑洞理論建立在廣義相對論的基礎上。由於黑洞中的光無法逃逸,所以我們無法直接觀測到黑洞。然而,可以通過測量它對周圍天體的作用和影響來間接觀測或推測到它的存在。比如說,恆星在被吸入黑洞時會在黑洞周圍形成吸積氣盤,盤中氣體劇烈摩擦,強烈發熱,而發出X射線。藉由對這類X射線的觀測,可以間接發現黑洞並對之進行研究。黑洞的存在已被天文學界和物理學界的絕大多數研究者所認同。

3 黑洞 -物理特徵

黑洞只有三個物理量可以測量到:質量、電荷、角動量。也就是說:對於一個黑洞,一旦這三個物理量確定下來了,這個黑洞的特性也就唯一地確定了,這稱為黑洞的無毛定理,或稱作黑洞的唯一性定理。但是這個定理卻只是限制了經典理論,沒有否認可能有其他量子荷的存在,所以黑洞可以和大域單極或是宇宙弦共同存在,而帶有大域量子荷。

質量

黑洞是由大於太陽質量的3.2倍的天體發生引力坍塌后形成的(小於1.4個太陽質量的恆星,會變成白矮星)。

黑洞天鵝座X-1系統的圖解,展示了一個吸收附近恆星物質的黑洞。流入的物質形成一個盤,環繞放射出強烈X射線的黑洞。50多年前,科學家第一次觀測到這個黑洞。藉助於美國國家科學基金會甚長基線射電望遠鏡陣的多個射電望遠鏡,天文學家於最近獲得足夠數據,描繪出這個著名系統內的黑洞一幅更為準確的圖像。根據科學家的計算,這個黑洞距地球6070光年,質量是太陽的15倍,每秒旋轉800多周。

天文學的觀測表明,在很多星系的中心,包括銀河系,都存在超過太陽質量上億倍的超大質量黑洞。

尺寸

愛因斯坦的廣義相對論預測有黑洞解。其中最簡單的球對稱解為史瓦西度量。這是由卡爾·史瓦西於1915年發現的愛因斯坦方程的解。根據史瓦西解,如果一個重力天體的半徑小於一個特定值,天體將會發生坍塌,這個半徑就叫做史瓦西半徑。在這個半徑以下的天體,其中的時空嚴重彎曲,從而使其發射的所有射線,無論是來自什麼方向的,都將被吸引入這個天體的中心。因為相對論指出在任何慣性座標中,物質的速率都不可能超越真空中的光速,在史瓦西半徑以下的天體的任何物質,包括重力天體的組成物質——都將塌陷於中心部分。一個有理論上無限密度組成的點組成重力奇點(gravitational singularity)。由於在史瓦西半徑內連光線都不能逃出黑洞,所以一個典型的黑洞確實是絕對「黑」的。

黑洞

史瓦西半徑

史瓦西半徑由下面式子給出:

G是萬有引力常數,M是天體的質量,c是光速。對於一個與地球質量相等的天體,其史瓦西半徑僅有9毫米。

史瓦西半徑只是某一種黑洞的半徑,指的是無自轉,無磁場的黑洞,不能泛泛的說所有黑洞的直徑為史瓦西半徑,而且在現實中,不存在這樣的黑洞,擁有史瓦西半徑的黑洞只是一個理論假設。

溫度
黑洞黑洞越大,溫度越低

就輻射譜而言,黑洞與有溫度的物體完全一樣,而黑洞所對應的溫度,則正比於黑洞視界的重力強度。換句話說,黑洞的溫度取決於它的大小。若黑洞只比太陽的幾倍重,它的溫度大約只比絕對零度高出億分之一度,而更大的黑洞溫度甚至更低。因此這類黑洞所發出的量子輻射,一律會被大爆炸所留下的2.7度輻射(宇宙背景輻射)完全淹沒。

事件視界

事件視界又稱為黑洞的視界,事件視界以外的觀察者無法利用任何物理方法獲得事件視界以內的任何事件的資訊,或者受到事件視界以內事件的影響。事件視界是造成黑洞所以被稱為黑洞的根本原因,不過實際的觀測還沒有發現事件視界。

光子球

光子球是個零厚度的球狀邊界,光子只要切線闖入這個邊界內,雖然不一定會被黑洞所捕獲,但是會處在一個圓形的軌道裡面,無法逃脫黑洞的視界之外。對於非旋轉的黑洞來說,光子球大約史瓦西半徑的一點五倍。這個軌道不是穩定的,隨時會因為黑洞的成長而變動。

光子球之內光子依然有辦法脫離,但是對於外部的觀察者來說,任何觀察的到的由黑洞發出的光子,都必須處於事件視界與光子球之間。這也是反對黑洞存在的人所依據的的強烈反對事實之一,透過觀察光子球的光子能量,無法找到事件視界存在的證據。


參考系拖曳圈
黑洞參考系拖曳圈

參考系拖曳圈(Ergosphere,又稱Frame Dragging或是Lense Thirring Effect,「蘭斯-蒂林效應圈」),轉動狀態的質量會對其周圍的時空產生拖拽的現象,這種現象被稱作參考系拖拽。旋轉黑洞才有參考系拖曳圈,也就是黑洞南北極與赤道在時空效應上有所不同。

觀測者可以利用光圈效應及參考系拖曳圈,觀測進入或脫離黑洞的光子的運動,透過間接的手段,例如粒子含量的分佈及Penrose Process(旋轉黑洞的能量拉出過程),來間接了解其重力的分佈,透過重力的分佈重新建立出其參考系拖曳圈。這種觀測方式,只有雙星以上的系統才能夠進行這樣的觀測。


時間場異常

黑洞周圍由於引力強大的因素,理論預期會發生時間場異常現象,這包含了周圍的參考系拖曳圈及事件視界效應。

4 黑洞 -分類

按質量分

超巨質量黑洞:可以在所有已知星系中心發現其蹤跡。質量據說是太陽的數百萬至十數億倍。

小質量黑洞:質量為太陽質量的10至20倍,即超新星爆炸以後所留下的核心質量是太陽的3至15倍就會形成黑洞。 
理論預測,當質量為太陽的40倍以上,可不經超新星爆炸過程而形成黑洞。 

中型黑洞:推論是由小質量黑洞合併形成,最後則變成超巨質量黑洞。中型黑洞是否真實存在仍然存疑。

根據物理特性分

根據黑洞本身的物理特性(質量、電荷、角動量):
不旋轉不帶電荷的黑洞。它的時空結構於1916年由史瓦西求出稱史瓦西黑洞。 
不旋轉帶電黑洞,稱R-N黑洞。時空結構於1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。 
旋轉不帶電黑洞,稱克爾黑洞。時空結構由克爾於1963年求出。 
一般黑洞,稱克爾-紐曼黑洞。時空結構於1965年由紐曼求出。

原初黑洞

原初黑洞是理論預言的一類黑洞,尚無直接證據支持原初黑洞的存在。宇宙大爆炸初期,宇宙早期膨脹之前,某些區域密度非常大,以至於宇宙膨脹后這些區域的密度仍然大到可以形成黑洞,這類黑洞叫做原初黑洞。原初黑洞的質量與密度不均勻處的尺度有關,因此原初黑洞的質量可以小於恆星坍塌生成的黑洞,根據霍金的理論,黑洞質量越小,蒸發越快。質量非常小的原初黑洞可能已經蒸發或即將蒸發,而恆星坍塌形成的黑洞的蒸發時標一般長於宇宙時間。天文學家期待能觀測到某些原初黑洞最終蒸時發出的高能伽瑪射線。

5 黑洞 -產生

形成過程

跟白矮星和中子星一樣,黑洞也是由恆星演化而來的。

黑洞白矮星-內部結構模型圖

當一顆恆星衰老時,它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料(氫),由中心產生的能量已經不多了。這樣,它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下,核心開始坍縮,直到最後形成體積小、密度大的星體,重新有能力與壓力平衡。

質量小一些的恆星主要演化成白矮星,質量比較大的恆星則有可能形成中子星。而根據科學家的計算,中子星的總質量不能大於三倍太陽的質量。如果超過了這個值,將再沒有什麼力能與自身重力相抗衡了,從而引發另一次大坍縮。根據科學家的猜想物質將不可阻擋地向著中心點進軍,直至成為一個體積趨於零、密度趨向無限大的「點」。而當它的半徑一旦收縮到一定程度(史瓦西半徑),正象我們上面介紹的那樣,巨大的引力就使得即使光也無法向外射出,從而切斷了恆星與外界的一切聯繫——「黑洞」誕生了。

黑洞中子星-內部結構模型圖


形成理論
黑洞黑洞

任何兩個物體之間都存在這種吸引作用。物體之間的這種吸引作用普遍存在於宇宙萬物之間,稱為萬有引力。宇宙星體所產生的引力場(和星體的質量及密度有關)越大,從其表面逃逸所需的極限速度就越大。如果這個引力場大到某個極限,使以光速運動的物體也不能掙脫它的束縛而逃逸,那麼人們將無法觀察到這個星體,僅能感受到它的引力效應。巨大黑洞質量可能是太陽的幾十萬、幾百萬或幾千萬倍 。由於他質量無窮大,使得其他物體能脫離他的速度也需要很大。這個逃逸速度如果超過了光速,光也會被吸納。所以,光逃離不了。人們也就看不到黑洞。

6 黑洞 -科學觀點

存在說
銀河系中心的黑洞不僅會吞噬周圍的物質,還會向外輻射出能量,黑洞的活動程度 與其所在的整個星系有莫大的關係,如果銀河系中心沒有黑洞,也許我們今天所在 的太陽系將不會存在。銀河系中心的黑洞不僅會吞噬周圍的物質,還會向外輻射出能量,黑洞的活動程度 與其所在的整個星系有莫大的關係,如果銀河系中心沒有黑洞,也許我們今天所在 的太陽系將不會存在。

1967年,劍橋的一位研究生約瑟琳·貝爾發現了天空發射出無線電波的規則脈衝的物體,這對黑洞的存在的預言帶來了進一步的鼓舞。在黑洞這個概念剛被提出的時候,共有兩種光理論:一種是牛頓贊成的光的微粒說;另一種是光的波動說。

1783年,劍橋的學監約翰·米歇爾指出,一個質量足夠大並足夠緊緻的恆星會有如此強大的引力場,以致於連光線都不能逃逸——任何從恆星表面發出的光,還沒到達遠處即會被恆星的引力吸引回來。米歇爾暗示,可能存在大量這樣的恆星,雖然會由於從它們那裡發出的光不會到達我們這兒而使我們不能看到它們,但我們仍然可以感到它們的引力的吸引作用。這正是我們現在稱為黑洞的物體。它是名符其實的——在空間中的黑的空洞。幾年之後,法國科學家拉普拉斯侯爵顯然獨自提出和米歇爾類似的觀念。

根據天文觀測的結果,黑洞負載循環與其宿主星系的恆星組成有關。這與把物質擲入黑洞,開啟黑洞的負載循環有著相同的動力學過程。這個過程可能會影響星系中恆星的種類,在負載循環巔峰時爆發的黑洞,它所釋放出的能量,可以改變星系中恆星的組成成分。這些成分對於了解星系系統的特性是至關重要的。星系中的恆星可以是紅色、黃色或藍色的,藍色的恆星通常質量最大,但壽命也最短,只需幾百萬年,就會燃燒殆盡。這就表明,如果夜空中看到了藍色的恆星,那就可目睹氣年輕恆星系統的景象和它正在經歷的生老病死。

隨著對周圍其他旋渦星系的研究發現:那些釋放能量最多的黑洞,可以在數千光年的尺度上影響它的宿主星系。在物質落入黑洞的過程中,會發出強烈的紫外線和X射線,驅使熱氣體向外運動,掃過星系中恆星的形成區域。

如果沒有星系和超大質量黑洞之間的共同演化,以及它們自身的特殊性,導致人類出現的整個事件鏈就會有所不同,甚至不復存在。

否定說

在學術上不同觀點認為宇宙中不存在黑洞,這需要進一步的證明。黑洞不讓任何其邊界以內的任何事物被外界看見,這就是這種物體被稱為「黑洞」的緣故。人們無法通過光的反射來觀察它,只能通過受其影響的周圍物體來間接了解黑洞。雖然這麼說,但黑洞還是有它的邊界,既「事件視界」。據猜測,黑洞是死亡恆星的剩餘物,是在特殊的大質量超巨星坍塌收縮時產生的。另外,黑洞必須是一顆質量大於錢德拉塞卡極限的恆星演化到末期而形成的,質量小於錢德拉塞卡極限的恆星是無法形成黑洞的。

7 黑洞 -人造黑洞

歐洲大型強子對撞機(LargeHadronCollider,簡稱LHC)被稱為世界規模最龐大的科學工程,它將利用高速粒子束相撞產生的巨大能量,重建「大爆炸」發生后的宇宙形態。然而歐洲和美國的反對人士分別向當地法院提出起訴,要求叫停或推遲這個項目,他們的理由是,LHC能產生危險的粒子或者微型黑洞,從而毀滅整個地球。

2009年10月15 日,《科學》雜誌宣布,世界上第一個「人造黑洞」在中國東南大學實驗室里誕生。不過,這個小型「黑洞」不僅不會毀滅世界,還能幫助人們更好地吸收太陽能。

8 黑洞 -毀滅過程

吸積與毀滅
黑洞黑洞

黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的,這一過程被稱為吸積。

當吸積氣體接近中央黑洞時,它們產生的輻射對黑洞的自轉以及視界的存在極為敏感。對吸積黑洞光度和光譜的分析為旋轉黑洞和視界的存在提供了強有力的證據。數值模擬也顯示吸積黑洞經常出現相對論噴流也部分是由黑洞的自轉所驅動的。

當中央天體是一個黑洞時,吸積就會展現出它最為壯觀的一面。然而黑洞並不是什麼都吸收的,它也往外邊散發質子。

爆炸毀滅萎縮直至毀滅

黑洞會發出耀眼的光芒,體積會縮小,甚至會爆炸。霍金結合了廣義相對論和量子理論。他發現黑洞周圍的引力場釋放出能量,同時消耗黑洞的能量和質量(當一個粒子從黑洞逃逸而沒有償還它借來的能量,黑洞就會從它的引力場中喪失同樣數量的能量,而愛因斯坦的公式E=mc 表明,能量的損失會導致質量的損失)。當黑洞的質量越來越小時,它的溫度會越來越高。這樣,當黑洞損失質量時,它的溫度和發射率增加,因而它的質量損失得更快。這種「霍金輻射」對大多數黑洞來說可以忽略不計,而小黑洞則以極高的速度輻射能量,直到黑洞的爆炸。

沸騰直至毀滅

所有的黑洞都會蒸發,只不過大的黑洞沸騰得較慢,它們的輻射非常微弱,因此另人難以覺察。但是隨著黑洞逐漸變小,這個過程會加速,以至最終失控。黑洞萎縮時,引力並也會變陡,產生更多的逃逸粒子,從黑洞中掠奪的能量和質量也就越多。黑洞萎縮的越來越快,促使蒸發的速度變得越來越快,周圍的光環變得更亮、更熱,當溫度達到10^15℃時,黑洞就會在爆炸中毀滅。

9 黑洞 -發現

美國宇航局2010年11月15日發現地球附近有一個年僅30歲的黑洞,這也是人類科學史上發現的最年輕的黑洞。

這個最年輕的黑洞是天文學家利用美國宇航局的錢德拉X射線望遠鏡發現的,它為觀測這類嬰兒期天體提供了獨一無二的機會。美國宇航局聲稱,這個黑洞將能夠幫助科學家更好地理解大質量恆星是如何爆炸的,恆星爆炸后留下的是黑洞還是中子星,以及銀河系和其他星系黑洞的數量。

這個30歲的黑洞是距離地球約5000萬光年的M100星系中的超新星「SN1979C」的餘燼。根據錢德拉X射線望遠鏡、美國雨燕衛星、歐洲宇航局牛頓X射線天文望遠鏡(XMM-Newton)以及德國倫琴衛星獲得的數據顯示一個明亮的X射線源,這個X射線源在1995年到2007年這段觀測期內一直非常穩定,這表明這個天體是一個黑洞,它正在吞噬這顆超新星和伴星落下的物質。

這是唯一一個人類全程見證它形成的黑洞,也是超新星爆炸能夠形成黑洞的唯一的直接證據。

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