黑洞是空間中密度極高的天體,任何光線無法從中逃逸。雖然黑洞是神秘而奇異的,但它們也是引力作用的一個關鍵結果:當大量物體被壓縮到足夠小的空間中時,新産生的物體撕裂了空間和時間的結構,成爲所謂的奇點。黑洞的引力是如此強大,以至于它可以吸引附近的物質並“吞噬”它。
黑洞仍然是宇宙中最神秘的天體之一,但我們已經了解到,它們是可怕的。它們完全打破了物理定律,它們的奇點在中心,這是一個一維的點,在這裏重力變得無限大,空間和時間變得彎曲。自然界中唯一存在奇點的地方宇宙大爆炸,宇宙大爆炸就是從奇點開始的。
這就是爲什麽美國宇航局的科學家相信,黑洞可能是通往另一個“世界”的入口,在那裏,你將可以以完全不同的方式體驗空間和時間。以下是關于黑洞的10個不得不知道的秘密,黑洞或許是另一個宇宙的入口:
1、如果黑洞會捕獲光線,但實際上卻看不見,我們如何才能了解它們呢?
任何一種光,包括X射線,都無法從黑洞的視界內逃逸,而黑洞視界外是無法返回的。美國宇航局研究黑洞的望遠鏡正在觀察黑洞周圍的環境,那裏有物質非常接近視界。當物質被拉向黑洞時,它會被加熱到數百萬攝氏度,因此會發出X射線。黑洞的巨大引力也會扭曲空間本身,所以,我們有可能看到一種看不見的引力對恒星和其他天體的影響。
2、形成一個黑洞需要多長時間?
一個質量爲太陽質量數十倍的黑洞,很可能是幾顆巨大恒星坍塌後的幾秒鍾內形成。這些相對較小的黑洞,也可以通過合並兩個稱爲中子星的致密恒星殘骸的合並而形成。中子星也可以與黑洞合並以形成更大的黑洞,或者兩個黑洞可以碰撞,諸如此類的合並也會迅速産生黑洞,並在時空中産生,可以稱爲引力波的漣漪。
更神秘的是在星系中心發現的巨大黑洞——“超大質量”黑洞,其質量可能是太陽質量的數百萬倍或數十億倍。一個物體要“成長”成爲一個非常大的天體時,可能需要數十億年的時間,但一般來說,人們並不知道形成一個黑洞需要多長時間。
3、科學家如何計算超大質量黑洞的質量?
這項研究包括觀察星系中心恒星的運動,這些運動暗示著一個黑暗、巨大的天體,它的質量可以根據恒星的速度進行計算。被吸入黑洞的物質增加了黑洞的質量,它的引力也不會從宇宙中消失。
4、黑洞有可能“吞噬”整個星系嗎?
當一顆恒星在黑洞的一定距離內經過時——離黑洞很近,足以被吞噬——恒星物質在被拉入時會被拉伸和壓縮。黑洞對恒星的破壞被稱爲“恒星潮汐破壞”,釋放出巨大的能量,在一個叫做耀斑的事件中照亮了周圍的環境。近年來,已經發現了幾十個這樣的耀斑,但人們對它們的了解並不多。
不過,黑洞不可能吞噬整個星系,星系中央的超大質量黑洞的引力範圍很大,但目前還不足以吞噬整個星系。
5、如果你被吸入黑洞會發生什麽?
那肯定不好!但我們對黑洞內部的了解來自愛因斯坦的廣義相對論。
對于黑洞來說,遙遠的觀測者只能看到視界外的區域,而被吸入黑洞的個別觀測者將體驗到完全不同的“現實”,有科學家猜測,黑洞或許是另一個宇宙的入口,如果你墜入黑洞視界,你對空間和時間的感知將完全改變。與此同時,黑洞的巨大引力會水平壓縮你,還會垂直拉伸你,你將變得像一根面條一樣,這就是爲什麽科學家稱這種現象爲“意大利面條化”,這並非是開玩笑。
幸運的是,這種情況從未發生在任何人身上——黑洞離我們的太陽系太遙遠,無法從太陽系吸入任何物質。但是,科學家們已經觀察到黑洞撕裂恒星的過程,這個過程釋放了大量的能量。
6、如果太陽變成了黑洞呢?
太陽永遠不會變成黑洞,因爲它的質量不足以爆炸。相反,太陽將變成一顆密度很大的恒星殘骸,可以被稱爲白矮星。
但是,假設太陽突然變成了一個質量和今天一樣大的黑洞,那麽,這也不會影響行星的軌道,因爲它對太陽系的引力影響,與原本的太陽是一樣的。因此,地球將繼續繞著變成黑洞的太陽旋轉,而不會被吸進去——盡管缺少陽光對地球上的生命來說是災難性的。
7、黑洞對我們的地球有影響嗎?
當一顆巨大的恒星大爆炸時,會留下恒星質量的黑洞。這些爆炸將生命所必需的元素(例如碳,氮和氧),並分布擴散到太空中。兩個中子星,兩個黑洞或一個中子星和黑洞之間的合並,同樣也會在周圍散布著重元素,這些重元素有一天可能會成爲新行星的一部分。恒星爆炸産生的沖擊波,也可能觸發新恒星和新太陽系的形成。因此,從某種意義上講,我們地球的出現,歸因于長期以來發生的大爆炸和形成黑洞的碰撞事件。
在更大範圍內,大多數星系的中心似乎都存在超大質量的黑洞,這些超大質量黑洞的形成與星系的形成之間的聯系仍然是未解之謎。黑洞很可能在我們的銀河系的形成過程中發揮過作用。但是,這是個先有雞還是先有蛋的問題——到底是哪個先出現,是星系還是黑洞?這也是我們宇宙中最大的謎團之一。
8、有史以來最遙遠的黑洞在哪裏?
迄今爲止發現的、有史以來最遙遠的黑洞,大約位于距地球約131億光年的星系中。(目前,人們估計宇宙的年齡大約爲138億年,因此,這意味著這個黑洞在宇宙大爆炸後大約6.9億年就産生了。)
天文學家將這種超大質量黑洞稱爲“類星體”,大量的氣體以極快的速度湧入黑洞,其能量輸出速度是星系本身的一千倍,而它的超高亮度,是天文學家如何在如此遙遠的距離上探測到它的原因。
9、如果沒有東西能從黑洞中逃逸,那麽整個宇宙最終會不會被黑洞吞噬?
宇宙是一個很龐大的地方。特別是,與星系的大小相比,一個特定的黑洞具有顯著的引力影響的區域的大小是相當有限的。這甚至適用于超大質量黑洞,比如在銀河系中心發現的那個黑洞。這個黑洞可能已經“吞噬”了在其附近形成的大部分或全部恒星,而距離其更遙遠的恒星基本上是安全的,不會被吞噬進去。由于這個黑洞的質量已經是太陽質量的幾百萬倍,所以,如果它再吞噬幾顆類似太陽的恒星,它的質量也只會有微小的增加,我們的地球(距離銀河系中心的黑洞2.6萬光年)不存在被吞噬進去的危險。
未來的星系碰撞會導致黑洞變得更大,例如兩個黑洞合並。但碰撞不會無限期地發生,因爲宇宙很大,而且,還在不斷膨脹,所以,任何類型的黑洞逃逸效應都不太可能發生。
10、黑洞會變小嗎?
是的。已故物理學家斯蒂芬·霍金提出,虽然黑洞通过吞噬物质而变得更大,但它们也会慢慢地缩小,因为它们正在不断损失少量的能量,这些能量被称为“霍金辐射”。
霍金輻射的産生是因爲真空,或者說,這種真空,並不是真正的真空。它實際上是一個粒子的海洋,不斷地出現和消失。霍金指出,如果在黑洞附近産生了一對這樣的粒子,那麽,其中一個粒子就有可能在被摧毀之前被吸進黑洞。在這種情況下,它的夥伴將逃入太空。而它逃逸的能量來自于黑洞,所以,通過這個過程,黑洞慢慢地失去了能量和質量,也就慢慢地變小了。
理論上,黑洞最終會通過霍金輻射“蒸發”消失。但是,對于我們所知的大多數黑洞來說,它們的蒸發時間要比整個宇宙的年齡還要長得多。黑洞,即使是那些太陽的幾倍質量的黑洞,也會存在很長很長一段時間!