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2018-05-26 14:18:32 | 人氣(466) | 回應(3) | 上一篇 | 下一篇

─假如掉進黑洞會看到什麼樣的奇特景象─

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              ─假如掉進黑洞會看到什樣的奇特景象─

黑洞是宇宙間最令人困惑的天體。的密度是如此之高,引力是如此之,以致於一切,包括光線,都無法逃脫。無論有多少種新奇理論,這一點是被普遍接受的。

人類在宇宙中已經辨識出了許多黑洞,有恒星級黑洞,也有超大品質黑洞。恒星級黑洞多位於我們銀河系內,超大品質黑洞多位於星系中心。超大品質黑洞的品質可以達到太陽的幾百萬甚至幾十億倍。

在銀河系中心,有許多恒星圍繞著一個品質太陽四百萬倍的不發光質心運行。這個質心名人馬座A*”,通過對圍繞著運行的恒星進行測量,我們可以確定是一個無可爭辯的黑洞候選者。

當我們靠近黑洞的視界,就會發生許多違反直覺的事,而一旦跨越視界,事情會變得更糟。不管是什類型的黑洞,也不管飛船有多棒,一旦沖過那道看不見的障,就再也出不去了!

廣義相對論是一位看守黑洞的嚴厲女管家。感謝愛因斯坦,今年我們之所以要紀念廣義相對論發佈100周年,部分原因就是指出了黑洞及其品質,是如何使時空發生彎曲的。

當我們離黑洞很遠時,空間的彎曲程度很小。我們無法將它產生的引力和其他天體,如中子星或普通恒星,甚至是氣體雲生的引力相區別。時空雖然已被彎曲,但我們只知道那裏存在著品質,無法指出品質的特性或分佈情況。

然而在視覺上,我們卻可以有與眾不同感受。不是中子星,不是恒星,也不是氣體雲,而是一個不發光的全黑球體。

這個球體名視界,並不是一個實在的東西。是一個有一定體積的空間區域。如果我們靠近黑洞,就會發現像是空間背景上的一個全黑的孔洞,孔洞周圍的光線則是被嚴重曲的。

一個品質相當於地球的黑洞視界半徑非常小,只有大約一釐米;如果黑洞的品質相當於太陽,那這個半徑大約接近三公里。銀河系中心超大品質黑洞的體積相當於一顆參宿四那樣的紅巨星。如果把放在太陽的位置上,那其邊界可能會超越許多行星的軌道!

在距離很遠的地方,黑洞的視覺特徵沒有什特別之處。但是如果我們駕駛著一艘堅不可摧的飛船,帶著完美無缺的設備,逐漸靠近黑洞,那情況就會變得越來越奇特。

在一般情況下,如果我們離物體越近,看起來就會越大,並遵循一種簡單明瞭的遞增方式。但黑洞並非完全如此。由於空間的極度彎曲,因此當我們靠近黑洞時,視覺體積的增長會異常迅速。

如果黑洞視界的大小相當於滿月,那麼它實際上看起來會比滿月大四倍!這是因隨著我們離黑洞越來越近,時空的彎曲程度會越來越高,周圍的星光會被嚴重曲,偏離黑洞所在的區域。

當我們離黑洞只有幾個史瓦西半徑時,會變得相當巨大,幾乎能阻飛船前方的所有光線。而普通天體在這個距離上看起來可能只相當於我們向前伸長手臂後的拳頭。

離黑洞越來越近後,飛船前方將會逐漸陷入一片黑暗,即便是後方,也將開始被黑暗籠。這同樣也是光線在極度彎曲的時空影響下生的結果,就好像點電荷靠近導體球殼時所形成的電場場線一樣。

此刻我們還沒有跨越視界,回頭還來得及。引力感測器會告訴我們,在指向黑暗中心的地方,有一個明確的下降梯度。但在相反的方向上,仍然能看到星光。

假如朝著視界繼續向前,那我們就會發現,身後的星光將彙聚成一個很小的光點。在跨越視界前的最後瞬間,光點會在引力藍移的作用下由紅變白,由白變藍。這是我們掉進黑洞前對外部宇宙的最後一瞥,宇宙微波和射電背景在此刻轉化成了可見光。

然後就是漆黑一團。空無一物。我們在視界內看不到任何來自外界的光線。

發生這種情形的前提是沒有其他物質或光線一起掉進去。下面這段視頻演示的是如果周圍的光線和我們一起進入黑洞時情況又將如何?這種情形在現實中更有可能。跨越視界的時刻大約是在視頻第37秒處。

一旦跨越視界,無論是否有別的什和我們相伴,都會發生一些令人震驚的事件。引力感測器會告訴我們,在所有的方向上都存在指向奇點的下降梯度,即便是在和奇點完全相反的方向上!

這是因在視界內部,我們發出的任何光線都將墜向奇點;我們已經到達黑洞的咽喉處,一切都無處可逃。

以上發生的一切會持續多久?假如我們掉入的是一個品質太陽四百萬倍的超大品質黑洞,那雖然在外界的參考系內,黑洞的直徑大約有一光時——但是我們抵達奇點的時間卻只需20秒。

生活在極度彎曲的空間裏是一件多麼痛苦的事情!

更為糟糕的是,根據某些假說,無論我們如何加速試圖離開黑洞,都會以更快的速度接近奇點!要活得更久——其實並不久——最好的方法是不要想著逃跑!


 

黑洞是現代廣義相對論中,宇宙空間記憶體在的一種天體。黑洞的引力很大,使得視界內的逃逸速度大於光速。

1916年,德國天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解,這個解表明,如果將大量物質集中於空間一點,其周圍會產生奇異的現象,即在質點周圍存在一個介面——“視界一旦進入這個介面,即使光也無法逃脫。這種不可思議的天體被美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒(John Archibald Wheeler)命名為黑洞

黑洞是時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體

黑洞無法直接觀測,但可以借由間接方式得知其存在與品質,並且觀測到它對其他事物的影響。借由物體被吸入之前的因高熱而放出和γ射線的邊緣訊息,可以獲取黑洞存在的訊息。推測出黑洞的存在也可借由間接觀測恒星或星際雲氣團繞行軌跡取得位置以及品質。

2017127,美國卡耐基科學研究所科學家發現有史以來最遙遠的超大品質黑洞,其品質是太陽的8億倍。

黑洞是現代廣義相對論中,宇宙空間記憶體在的一種密度極大體積極小的天體。黑洞是由品質足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡後,發生引力坍縮產生的。黑洞的引力很大,連光都無法逃脫。其實黑洞並不“黑”,只是無法直接觀測,但可以借由間接方式得知其存在與品質,並且觀測到它對其他事物的影響。

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。高溫氣體輻射熱能的效率會嚴重影響吸積流的幾何與動力學特性。已觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。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是中央延展物質系統的流動。吸積是天體物理中最普遍的過程之一,而且也正是因為吸積才形成了我們周圍許多常見的結構。在宇宙早期,當氣體朝由暗物質造成的引力勢阱中心流動時形成了星系。即使到了今天,恒星依然是由氣體雲在其自身引力作用下坍縮碎裂,進而通過吸積周圍氣體而形成的。行星(包括地球)也是在新形成的恒星周圍通過氣體和岩石的聚集而形成的。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。黑洞除了吸積物質之外,還通過霍金蒸發過程向外輻射粒子。

由於黑洞的密度極大,根據公式我們可以知道密度=品質/體積,為了讓黑洞密度無限大,而黑洞的品質不變,那就說明黑洞的體積要無限小,這樣才能成為黑洞。黑洞是由一些恒星滅亡後所形成的死星,它的品質極大,體積極小。但黑洞也有滅亡的那天,按照霍金的理論,在量子物理中,有一種名為隧道效應的現象,即一個粒子的場強分佈雖然盡可能讓能量低的地方較強,但即使在能量相當高的地方,場強仍會有分佈,對於黑洞的邊界來說,這就是一堵能量相當高的勢壘,但是粒子仍有可能出去。

霍金還證明,每個黑洞都有一定的溫度,而且溫度的高低與黑洞的品質成反比例。也就是說,大黑洞溫度低,蒸發也微弱;小黑洞的溫度高蒸發也強烈,類似劇烈的爆發。相當於一個太陽品質的黑洞,大約要1x10^66年才能蒸發殆盡;相當於一顆小行星品質的黑洞會在1x10^-21秒內蒸發得乾乾淨淨。

當黑洞的品質越來越小時,它的溫度會越來越高。這樣,當黑洞損失品質時,它的溫度和發射率增加,因而它的品質損失得更快。這種霍金輻射對大多數黑洞來說可以忽略不計,因為大黑洞輻射的比較慢,而小黑洞則以極高的速度輻射能量,直到黑洞的爆炸。

據英國媒體報導,一項新的理論指出黑洞的死亡方式可能是以轉變為白洞的方式進行的。理論上來說,白洞在行為上恰好是黑洞的反面——黑洞不斷吞噬物質,而白洞則不斷向外噴射物質。 這一發現最早是由英國某雜誌網站報導的,其理論依據是晦澀的量子引力理論。

恒星的時空扭曲改變了光線的路徑,使之和原先沒有恒星情況下的路徑不一樣。光在恒星表面附近稍微向內偏折,在日食時觀察遠處恒星發出的光線,可以看到這種偏折現象。當該恒星向內坍塌時,其品質導致的時空扭曲變得很強,光線向內偏折得也更強,從而使得光子從恒星逃逸變得更為困難。對於在遠處的觀察者而言,光線變得更黯淡更紅。最後,當這恒星收縮到某一臨界半徑(史瓦西半徑)時,其品質導致時空扭曲變得如此之強,使得光向內偏折得也如此之強,以至於光也逃逸不出去 。這樣,如果光都逃逸不出來,其他東西更不可能逃逸,都會被拉回去。也就是說,存在一個事件的集合或時空區域,光或任何東西都不可能從該區域逃逸而到達遠處的觀察者,這樣的區域稱作黑洞。將其邊界稱作事件視界,它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。

與別的天體相比,黑洞十分特殊。人們無法直接觀察到它,科學家也只能對它內部結構提出各種猜想。而使得黑洞把自己隱藏起來的的原因即是彎曲的時空。根據廣義相對論,時空會在引力場作用下彎曲。這時候,光雖然仍然沿任意兩點間的最短光程傳播,但相對而言它已彎曲。在經過大密度的天體時,時空會彎曲,光也就偏離了原來的方向。

在地球上,由於引力場作用很小,時空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周圍,時空的這種變形非常大。這樣,即使是被黑洞擋著的恒星發出的光,雖然有一部分會落入黑洞中消失,可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。觀察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一樣,這就是黑洞的隱身術。

更有趣的是,有些恒星不僅是朝著地球發出的光能直接到達地球,它朝其他方向發射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的,還同時看到它的側面、甚至後背,這是宇宙中的引力透鏡效應。



我們所居住銀河系的中心部位,所有銀河系的恒星都圍繞銀心部位可能存在的一個超大品質黑洞公轉。 據美國太空網報導,一項新的研究顯示,宇宙中最大品質的黑洞開始快速成長的時期可能比科學家原先的估計更早,並且仍在加速成長。

一個來自以色列特拉維夫大學的天文學家小組發現,宇宙中最大品質黑洞的首次快速成長期出現在宇宙年齡約為12億年時,而非之前認為的20~40億年。天文學家們估計宇宙的年齡約為138.2億年。

同時,這項研究還發現宇宙中最古老、品質最大的黑洞同樣具有非常快速的成長。有關這一發現的詳細情況發表在《天體物理學報》雜誌上。

如果黑洞足夠大,宇航員會開始覺察到拉著他腳的重力比拉著他頭的重力更強大,這種吸引力拖著他無情地向下落,重力差會迅速加大而將他撕裂(拉伸線),最終他的遺體會被分解而落入黑洞那無限緻密核心。

普金斯基和他的兩個學生艾哈邁德·艾姆哈裏、詹姆斯·薩利,加上該校的另一位弦理論學家唐納德·馬婁夫一起,對這一事件進行了重新計算。根據他們的計算,卻呈現出完全不同的另一番場景:量子效應會把事件視界變成沸騰的粒子大漩渦,任何東西掉進去都會撞到一面火焰牆上而被瞬間烤焦。

美國宇航局有關一個超大品質黑洞及其周圍物質盤,炙熱的物質團(一個呈粉紅色,一個呈黃色)每一個的體積都與太陽相當,環繞距離黑洞較近的軌道運行。科學家認為所有大型星系中心都存在超大品質黑洞。黑洞一直在吞噬被稱之為活躍星系核的物質。由於被明亮並且溫度極高的下落物質盤環繞,黑洞的品質很難確定。根據刊登在《自然》雜誌上的一篇研究論文,基於對繞黑洞運行物質旋轉速度的計算結果,37個已知星系中心黑洞的品質實際上低於此前的預計。

銀河系的中心都隱藏著一個超大品質黑洞。這些黑洞品質大小不一,大約99萬~400億個太陽品質。天文學家們通過探測黑洞周圍吸積盤發出的強烈輻射和熱量推斷這些黑洞的存在。物質在受到強烈黑洞引力下落時,會在其周圍形成吸積盤盤旋下降,在這一過程中勢能迅速釋放,將物質加熱到極高的溫度,從而發出強烈輻射。黑洞通過吸積方式吞噬周圍物質,這可能就是它的成長方式  

這項最新的研究採用了全世界最先進的地基觀測設施,包括位於美國夏威夷莫納克亞山頂,海拔4000多米處的北雙子座望遠鏡,位於智利帕拉那山的南雙子座望遠鏡,以及位於美國新墨西哥州聖阿古斯丁平原上的甚大陣射電望遠鏡。

觀測結果顯示,出現在宇宙年齡僅為12億年時的活躍黑洞,其品質要比稍後出現的大部分大品質黑洞品質小9/10。但是它們的成長速度非常快,因而它們的品質要比後者大得多。通過對這種成長速度的測算,研究人員可以估算出這些黑洞天體之前和之後的發展路徑。

該研究小組發現,那些最古老的黑洞,即那些在宇宙年齡僅為數億年時便開始進入全面成長期的黑洞,它們的品質僅為太陽的992000倍。研究人員認為這些黑洞的形成和演化可能和宇宙中最早的恒星有關。

天文學家們還注意到,在最初的12億年後,這些被觀測的黑洞天體的成長期僅僅持續了2億到4億年。

這項研究是一個已持續9年的研究計畫的成果。特拉維夫大學主持的這項研究旨在追蹤研究宇宙中最大品質黑洞的演化,並觀察它們對宿主星系產生的影響。

發現超大黑洞

201531,北京大學吳學兵教授等人在一個發光類星體裏發現了一片品質為太陽120億倍的黑洞,並且該星體早在宇宙形成的早期就已經存在。科學家稱,如此巨大的黑洞的形成無法用現有黑洞理論解釋。

該發現對2014年之前的宇宙形成理論帶出了挑戰。至2015年的宇宙理論認為,黑洞及其宿主星系的發展形態基本上是亙古不變的。

德國麥克斯普蘭喀天文機構的研究員布拉姆·維尼曼斯(BramVenemans)說道,最新發現的黑洞體量相當於太陽的400億倍,科學家編號為S5 0014+81,比先前發現的同時期黑洞的總和還大出一倍。而在銀河系的中央潛伏的黑洞比太陽大20-500萬倍。 


 

探索黑洞歷史

1970年,美國的自由號人造衛星發現了與其他射線源不同的天鵝座X-1,位於天鵝座X-1上的是一個比太陽重30多倍的巨大藍色星球,該星球被一個重約10個太陽的看不見的物體牽引著。天文學家一致認為這個物體就是黑洞,它就是人類發現的第一個黑洞。

1928年,薩拉瑪尼安·錢德拉塞卡(天體物理學家)到英國劍橋跟英國天文學家亞瑟·愛丁頓爵士(一位元宣講相對論的物理家)學習。錢德拉塞卡意識到,泡利不相容原理所能提供的排斥力有一個極限。恒星中的粒子的最大速度差被相對論限制為光速。這意味著,恒星變得足夠緊致之時,由不相容原理引起的排斥力就會比引力的作用小。錢德拉塞卡計算出;一個大約為太陽品質一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。(這品質稱為錢德拉塞卡極限)前蘇聯科學家列夫·達維多維奇·蘭道幾乎在同時也發現了類似的結論。

如果一顆恒星的品質比錢德拉塞卡極限小,它最後會停止收縮並終於變成一顆半徑為幾千英里和密度為每立方英寸幾百噸的白矮星。白矮星是它物質中電子之間的不相容原理排斥力所支持的。第一顆被觀察到的是繞著夜空中最亮的恒星——天狼星轉動的那一顆。

蘭道指出,對於恒星還存在另一可能的終態。其極限品質大約也為太陽品質的一倍或二倍,但是其體積甚至比白矮星還小得多。這些恒星是由中子和質子之間,而不是電子之間的不相容原理排斥力所支持。所以它們被叫做中子星。它們的半徑只有10英里左右,密度為每立方英寸幾億噸。在中子星被第一次預言時,並沒有任何方法去觀察它,很久以後它們才被觀察到。

另一方面,品質比錢德拉塞卡極限還大的恒星在耗盡其燃料時,會出現一個很大的問題:在某種情形下,它們會爆炸或拋出足夠的物質,使自己的品質減少到極限之下,以避免災難性的引力坍縮,不管恒星有多大,這總會發生。愛丁頓拒絕相信錢德拉塞卡的結果。愛丁頓認為,一顆恒星不可能坍縮成一點。這是大多數科學家的觀點:愛因斯坦自己寫了一篇論文,宣佈恒星的體積不會收縮為零。其他科學家,尤其是他以前的老師、恒星結構的主要權威——愛丁頓的敵意使錢德拉塞卡拋棄了這方面的工作,轉去研究諸如恒星團運動等其他天文學問題。然而,他獲得1983年諾貝爾獎,至少部分原因在於他早年所做的關於冷恒星的品質極限的工作。

錢德拉塞卡指出,泡利不相容原理不能夠阻止品質大於錢德拉塞卡極限的恒星發生坍縮。但是,根據廣義相對論,這樣的恒星會發生什麼情況呢。這個問題被一位年輕的美國人羅伯特·奧本海默於1939年首次解決。然而,他所獲得的結果表明,用當時的望遠鏡去觀察不會再有任何結果。以後,因第二次世界大戰的干擾,奧本海默捲入到原子彈計畫中去。戰後,由於大部分科學家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去,因而引力坍縮的問題被大部分人忘記了。

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。起初貝爾和她的導師安東尼·赫維許以為,他們可能和我們星系中的外星文明進行了接觸。在宣佈他們發現的討論會上,他們將這四個最早發現的源稱為LGM14LGM表示小綠人“Little Green Man”)的意思。最終他們和所有其他人的結論是這些被稱為脈衝星的物體,事實上是旋轉的中子星,這些中子星由於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。由於量子力學的波粒二象性,光既可認為是波,也可認為是粒子。在光的波動說中,不清楚光對引力如何回應。但是如果光是由粒子組成的,人們可以預料,它們正如同炮彈、火箭和行星那樣受引力的影響。起先人們以為,光粒子無限快地運動,所以引力不可能使之慢下來,但是羅麥關於光速度有限的發現表明引力對之可有重要效應。

1783年,劍橋的學監約翰·蜜雪兒在這個假定的基礎上,在《倫敦皇家學會哲學學報》上發表了一篇文章。他指出,一個品質足夠大並足夠緊致的恒星會有如此強大的引力場,以致于連光線都不能逃逸——任何從恒星表面發出的光,還沒到達遠處即會被恒星的引力吸引回來。蜜雪兒暗示,可能存在大量這樣的恒星,雖然會由於從它們那裏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。這正是我們稱為黑洞的物體。 

事實上,因為光速是固定的,所以,在牛頓引力論中將光類似炮彈那樣處理不嚴謹。(從地面發射上天的炮彈由於引力而減速,最後停止上升並折回地面;然而,一個光子必須以不變的速度繼續向上,那麼牛頓引力對於光如何發生影響。)在1915年愛因斯坦提出廣義相對論之前,一直沒有關於引力如何影響光的協調的理論,之後這個理論對大品質恒星的含意才被理解。

觀察一個恒星坍縮並形成黑洞時,因為在相對論中沒有絕對時間,所以每個觀測者都有自己的時間測量。由於恒星的引力場,在恒星上某人的時間將和在遠處某人的時間不同。假定在坍縮星表面有一無畏的太空人和恒星一起向內坍縮,按照他的表,每一秒鐘發一信號到一個繞著該恒星轉動的空間飛船上去。在他的表的某一時刻,譬如11點鐘,恒星剛好收縮到它的臨界半徑,此時引力場強到沒有任何東西可以逃逸出去,他的信號再也不能傳到空間飛船了。

11點到達時,他在空間飛船中的夥伴發現,太空人發來的一串信號的時間間隔越變越長。但是這個效應在105959秒之前是非常微小的。在收到105958秒和105959秒發出的兩個信號之間,他們只需等待比一秒鐘稍長一點的時間,然而他們必須為11點發出的信號等待無限長的時間。按照太空人的手錶,光波是在105959秒和11點之間由恒星表面發出;從空間飛船上看,那光波被散開到無限長的時間間隔裏。在空間飛船上收到這一串光波的時間間隔變得越來越長,所以恒星來的光顯得越來越紅、越來越淡,最後,該恒星變得如此之朦朧,以至於從空間飛船上再也看不見它,所餘下的只是空間中的一個黑洞。然而,此恒星繼續以同樣的引力作用到空間飛船上,使飛船繼續繞著所形成的黑洞旋轉。

但是由於以下的問題,使得上述情景不是完全現實的。離開恒星越遠則引力越弱,所以作用在這位無畏的太空人腳上的引力總比作用到他頭上的大。在恒星還未收縮到臨界半徑而形成事件視界之前,這力的差就已經將太空人拉成義大利麵條那樣,甚至將他撕裂!然而,在宇宙中存在品質大得多的天體,譬如星系的中心區域,它們遭受到引力坍縮而產生黑洞;一位元在這樣的物體上面的太空人在黑洞形成之前不會被撕開。事實上,當他到達臨界半徑時,不會有任何異樣的感覺,甚至在通過永不回返的那一點時,都沒注意到。但是,隨著這區域繼續坍縮,只要在幾個鐘頭之內,作用到他頭上和腳上的引力之差會變得如此之大,以至於再將其撕裂。

羅傑·彭羅斯在1965年和1970年之間的研究指出,根據廣義相對論,在黑洞中必然存在無限大密度和空間——時間曲率的奇點。這和時間開端時的大爆炸相當類似,只不過它是一個坍縮物體和太空人的時間終點而已。在此奇點,科學定律和預言將來的能力都失效了。然而,任何留在黑洞之外的觀察者,將不會受到可預見性失效的影響,因為從奇點出發的不管是光還是任何其他信號都不能到達。這令人驚奇的事實導致羅傑·彭羅斯提出了宇宙監督猜測,它可以被意譯為:上帝憎惡裸奇點。換言之,由引力坍縮所產生的奇點只能發生在像黑洞這樣的地方,在那兒它被事件視界體面地遮住而不被外界看見。嚴格地講,這是所謂弱的宇宙監督猜測:它使留在黑洞外面的觀察者不致受到發生在奇點處的可預見性失效的影響,但它對那位不幸落到黑洞裏的可憐的太空人卻是愛莫能助。

廣義相對論相關

廣義相對論方程存在一些解,這些解使得我們的太空人可能看到裸奇點。他也許能避免撞到奇點上去,而穿過一個蟲洞來到宇宙的另一區域。看來這給空間——時間內的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是,所有這些解似乎都是非常不穩定的;最小的干擾,譬如一個太空人的存在就會使之改變,以至於他還沒能看到此奇點,就撞上去而結束了他的時間。換言之,奇點總是發生在他的將來,而從不會在過去。強的宇宙監督猜測是說,在一個現實的解裏,奇點總是或者整個存在於將來(如引力坍縮的奇點),或者整個存在於過去(如大爆炸)。因為在接近裸奇點處可能旅行到過去,所以宇宙監督猜測的某種形式的成立是大有希望的。

事件視界,也就是空間——時間中不可逃逸區域的邊界,正如同圍繞著黑洞的單向膜:物體,譬如不謹慎的太空人,能通過事件視界落到黑洞裏去,但是沒有任何東西可以通過事件視界而逃離黑洞。(記住事件視界是企圖逃離黑洞的光的空間——時間軌道,沒有任何東西可以比光運動得更快)人們可以將詩人但丁針對地獄入口所說的話恰到好處地用於事件視界:從這兒進去的人必須拋棄一切希望。任何東西或任何人一旦進入事件視界,就會很快地到達無限緻密的區域和時間的終點。

廣義相對論預言,運動的重物會導致引力波的輻射,那是以光的速度傳播的空間——時間曲率的漣漪。引力波和電磁場的漣漪光波相類似,但是要探測到它則困難得多。就像光一樣,它帶走了發射它們的物體的能量。因為任何運動中的能量都會被引力波的輻射所帶走,所以可以預料,一個大品質物體的系統最終會趨向於一種不變的狀態。例如,繞著太陽公轉的地球即產生引力波。其能量損失的效應將改變地球的軌道,使之逐漸越來越接近太陽,最後撞到太陽上,以這種方式歸於最終不變的狀態。在地球和太陽的情形下能量損失率非常小——大約只能點燃一個小電熱器, 這意味著要用大約1千億億億年地球才會和太陽相撞,沒有必要立即去為之擔憂!地球軌道改變的過程極其緩慢,以至於根本觀測不到。但幾年以前,在稱為PSR1913+16PSR表示脈衝星,一種特別的發射出無線電波規則脈衝的中子星)的系統中觀測到這一效應。此系統包含兩個互相圍繞著運動的中子星,由於引力波輻射,它們的能量損失,使之相互以螺旋線軌道靠近。

在恒星引力坍縮形成黑洞時,運動會更快得多,這樣能量被帶走的速率就高得多。所以不用太長的時間就會達到不變的狀態。人們會以為它將依賴于形成黑洞的恒星的所有的複雜特徵——不僅僅它的品質和轉動速度,而且恒星不同部分的不同密度以及恒星內氣體的複雜運動。如果黑洞就像坍縮形成它們的原先物體那樣變化多端,一般來講,對之作任何預言都將是非常困難的。

然而,加拿大科學家外奈·伊斯雷爾在1967年使黑洞研究發生了徹底的改變。他指出,根據廣義相對論,非旋轉的黑洞必須是非常簡單、完美的球形;其大小只依賴於它們的品質,並且任何兩個這樣的同品質的黑洞必須是等同的。事實上,它們可以用愛因斯坦的特解來描述,這個解是在廣義相對論發現後不久的1917年卡爾·施瓦茲席爾德找到的。一開始,許多人(其中包括伊斯雷爾自己)認為,既然黑洞必須是完美的球形,一個黑洞只能由一個完美球形物體坍縮而形成。所以,任何實際的恒星從來都不是完美的球形只會坍縮形成一個裸奇點。

然而,對於伊斯雷爾的結果,一些人,特別是羅傑·彭羅斯和約翰·惠勒提倡一種不同的解釋。他們論證道,牽涉恒星坍縮的快速運動表明,其釋放出來的引力波使之越來越近於球形,到它終於靜態時,就變成準確的球形。按照這種觀點,任何非旋轉恒星,不管其形狀和內部結構如何複雜,在引力坍縮之後都將終結于一個完美的球形黑洞,其大小只依賴於它的品質。這種觀點得到進一步的計算支持,並且很快就為大家所接受。

伊斯雷爾的結果只處理了由非旋轉物體形成的黑洞。1963年,新西蘭人羅伊·克爾找到了廣義相對論方程的描述旋轉黑洞的一族解。這些克爾黑洞以恒常速度旋轉,其大小與形狀只依賴於它們的品質和旋轉的速度。如果旋轉為零,黑洞就是完美的球形,這解就和施瓦茲席爾德解一樣。如果有旋轉,黑洞的赤道附近就鼓出去(正如地球或太陽由於旋轉而鼓出去一樣),而旋轉得越快則鼓得越多。由此人們猜測,如將伊斯雷爾的結果推廣到包括旋轉體的情形,則任何旋轉物體坍縮形成黑洞後,將最後終結於由克爾解描述的一個靜態。



黑洞是科學史上極為罕見的情形之一,在沒有任何觀測到的證據證明其理論是正確的情形下,作為數學的模型被發展到非常詳盡的地步。的確,這經常是反對黑洞的主要論據:怎麼能相信一個其依據只是基於令人懷疑的廣義相對論的計算的物件呢?然而,1963年,加利福尼亞的帕羅瑪天文臺的天文學家馬丁·施密特測量了在稱為3C273(即是劍橋射電源編目第三類的273號)射電源方向的一個黯淡的類星體的紅移。他發現引力場不可能引起這麼大的紅移——如果它是引力紅移,這類星體必須具有如此大的品質,並離地球如此之近,以至於會干擾太陽系中的行星軌道。這暗示此紅移是由宇宙的膨脹引起的,進而表明此物體離地球非常遠。由於在這麼遠的距離還能被觀察到,它必須非常亮,也就是必須輻射出大量的能量。人們會想到,產生這麼大量能量的唯一機制看來不僅僅是一個恒星,而是一個星系的整個中心區域的引力坍縮。人們還發現了許多其他類星體,它們都有很大的紅移。但是它們都離開地球太遠了,所以對之進行觀察太困難,以至於不能。

看清黑洞磁場

科學家認為,黑洞引擎是由磁場驅動的。借助事件視界望遠鏡(Event Horizon TelescopeEHT),天文學家在我們銀河系中心超大黑洞事件視界的外側探測到了磁場。發現在靠近黑洞的某些區域是混亂的,有著雜亂的磁圈和渦漩,就像攪在一起的義大利面。相反,其他區域的磁場則有序得多,可能是物質噴流產生的區域。還發現,黑洞周邊的磁場在短至15分鐘的時間段內都會發生明顯變化。

理論修改

20153月,霍金對黑洞理論進行了修改,宣稱黑洞實際上是灰色的。新灰洞理論稱,物質和能量被黑洞困住一段時間後,又會被重新釋放到宇宙中。

20161月,霍金同物理學家馬爾科姆·佩里、安德魯·施特羅明格提出了新理論:讓資訊逃逸的黑洞裂口由柔軟的帶電毛髮組成,它們是位於視界線上的光子和引力子組成的粒子,這些能量極低甚至為零的粒子能捕獲並存儲落入黑洞的粒子的資訊。

一個由美國、英國、義大利和奧地利科學家組成的國際研究團隊,根據先前的研究和通過超級電腦的類比,發現黑洞、引力波和暗物質均具有分形幾何特徵。有專家認為,這一重大發現將導致對天文學甚至物理學諸多不同領域的深刻認識。

黑洞是宇宙空間記憶體在的一種密度無限大、體積無限小的天體,所有的物理定理遇到黑洞都會失效;它是由品質足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡後,發生引力坍縮產生的。當黑洞打嗝時,就意味著有某個天體被黑洞吞噬,黑洞依靠吞噬落入其中物質成長;當黑洞進食大量物質時,就會有高速等離子噴流從黑洞邊緣逃逸而出。科學家利用流體動力學和引力相關理論並通過超級電腦進行類比後得出結論——“進食正在成長過程中的黑洞,將會使其形成分形表面。

黑洞一詞命名者、美國著名物理學家約翰·惠勒教授曾經說過:今後誰不熟悉分形幾何,誰就不能被稱為科學上的文化人。中國著名學者周海中教授曾經指出:分形幾何不僅展示了數學之美,也揭示了世界的本質,從而改變了人們理解自然奧秘的方式;可以說分形幾何是真正描述大自然的幾何學,對它的研究也極大地拓展了人類的認知疆域。可見,分形幾何有著極其重要的科學地位。

黑洞是宇宙中最神秘的自然現象。它為什麼具有分形幾何特徵,其原因現在還是一個謎。 

儲存資料

幾十年來宇宙學家一直對黑洞會摧毀製造它的資料的問題所困擾。黑洞是由它的品質、能量、旋轉所定位。

假如是這樣那就無法知道最先是什麼讓它產生的。另一方面量子力學說資料永遠會被保存,而且你可以用那些資料重建它的過去。

史蒂芬·霍金讓這問題加大,當他說黑洞會漏輻射。黑洞會漏輻射到摧毀自己,然後唯一可以知道它是由什麼產生的只有在那些輻射的資料裏面可以找到。

2004年霍金說他錯了,而是否黑洞會儲存資料的辯論就從此沒有停止過。布法羅大學的博士生AnshulSaini說黑洞釋放出的輻射(也稱作霍金輻射)並不像霍金想的那麼隨意。

Siani說要瞭解跑進洞裏的資料,你不只需要看霍金輻射釋放出的粒子,你還需要看它們如何互應。這包括引力與粒子傳送光給對方的方式。他說這些關聯一開始很小,但會隨著時間成長。

Saini的監督者DejanStojkovic博士說這些關聯在計算中時常被忽略因為它們很小被認為不會有很大的影響。我們的計算顯示這些關聯一開始很小,但隨著時間它會成長大到可以影響結果。

許多物理學家們都做出了結論說黑洞裏的資料一定會留下,所以可以讓我們回顧那些資料,但他們理論的基礎是用資料保存的廣義論。

霍金自己跟其他人想要展示一個觀察者如何可以得到那些資料的方法並沒有很大的說服力。

實際上要瞭解製造一個黑洞的成分幾乎是不可能的任務。任何觀察者都會需要收集照射到不同方向的粒子。

還需要收集讓這互動成型的介質像是光子和引力子。不過對於宇宙學家這可能性是小事,真正重要的是守恆律有被保存。

黑洞的存在部分地證實了它的預言。在宇宙中存在幾百萬個黑洞,它的存在總是需要起到一些作用的。如果要想徹底揭開黑洞之謎,還需時間,這也意味著給予有關人類終極命運的思索一個明確的答案。

黑洞吸附物質會產生X射線,X射線反過來又會刺激其中的大量化學元素發射出具有獨特線條(顏色)的X射線。分析這些線條可以幫助科學家瞭解更多有關黑洞附近等離子體的密度、速度和組成成分等資訊。

在這個過程中,鐵起了非常關鍵的作用。儘管鐵在宇宙中的儲量並不如更輕的氫和氦豐富,但是,它能夠更好地吸收和重新發射出X射線,發射出的光子因此也比其他更輕的原子發射出的光子具有更高的能量、更短的波長(使得其具有不同的顏色)。

鐵發射出的X射線在穿過黑洞周圍的介質時也會被吸收。在這個所謂的光離化過程中,鐵原子通常會經歷幾次電離,其包含的26個電子中有超過一半會被去除,最終產生帶電離子,帶電離子聚集成為等離子體,研究人員可以在實驗室中重現了這個過程。



 

據英國《新科學家》雜誌線上版201745日消息稱,真正的天文重器——“地球大小的望遠鏡目前正準備穿透星系的心臟。它由全球各地的8個射電觀測台組成,模擬出一台具有行星規模的天文設備。今年4月,只要所有觀測台天氣條件合適,它們會立即開啟,人類將利用其首次對黑洞進行拍照,揭開近百年來仍無解的黑洞謎底。

這組巨大的天文設備名為事件視界望遠鏡EHT),其囊括了位於西班牙、美國和南極等地的射電望遠鏡。現在,EHT8眼睛已組合完畢,科學家們正協調射電望遠鏡陣列,模擬成一台虛擬的地球大小的望遠鏡,準備首次嘗試對宇宙黑洞進行拍照——只有行星規模的望遠鏡有能力照亮黑洞,因此,可對星系中心的超重黑洞進行監測。

望遠鏡目標最終指向距離地球25000光年的人馬座A*黑洞以及M87星系黑洞。前者是位於銀河系中心一個亮度極高且緻密的無線電波源,屬於人馬座A星系的一部分,星系的心臟就是超大品質黑洞的所在,它也被看作研究黑洞物理的最佳物件;而M87星系核心的黑洞品質,估計可能會達到30億至64億個太陽品質。一直以來,人們對這兩個神秘的目標都缺乏清晰詳盡的資料。

團隊表示,45日至14日夜晚,當全部8個觀測地天氣晴朗,他們將會立即啟動事件視界望遠鏡,以前所未有的解析度創建圖像。如果這項嘗試成功了,所獲照片將會幫助科學家進一步檢測廣義相對論。與此同時,來自美國鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)和歐洲引力波天文臺(VIRGO)的科學家將會聯合進行一項深入研究,以確定特殊星系引力波的起源。

該團隊包括荷蘭奈梅亨大學以及德國馬克斯·普朗克物理研究所等機構,研究人員表示,事件視界望遠鏡的運行將向人類展示宇宙的最基本資訊。

2017127,美國卡耐基科學研究所科學家發現有史以來最遙遠的超大品質黑洞,該黑洞品質是太陽品質的8億倍。這與現今宇宙中發現的黑洞有著很大不同,此前發現的黑洞品質很少能超過幾十倍的太陽品質。


 

台長: 幻羽

幻羽
儘管黑洞在很大程度上還是一種十分神秘的天體,人類對此知之甚少,但根據理論,黑洞肯定是無法幫我們進行星際穿越的。宇宙中的黑洞大都是從恒星演化而來的,大品質恒星的核心在晚年通過引力坍縮,使得原子被完全壓碎,它們全都集中到一個體積無限小的奇點中。由此產生就連光也無法逃脫的扭曲時空,這樣的時空區域就被稱作黑洞。
如果太空船飛入黑洞之中,不但無法實現星際穿越,而且再也飛不出黑洞。事實上,對於恒星級黑洞,太空船根本就無法在完好無損的情況下飛入黑洞之中。這是因為當足夠靠近黑洞的表面時,太空船的不同部位所受的引力作用將會有巨大的差別,這種潮汐力能夠把太空船撕碎。而對於超大品質黑洞,雖然太空船能夠穿過黑洞的表面,但隨著與奇點的距離越來越近,最終飛船也會被撕碎。總之,飛入黑洞之中肯定是無法幫助實現星際穿越。
不過,利用黑洞給太空船加速度是可以實現的,前提是這個黑洞是一種具有自旋的克爾黑洞,這在電影《星際穿越》中有使用過。此外,利用黑洞強大的引力時間膨脹效應,還可以使太空旅行者去往未來的地球。
想要實現星際穿越,其實需要通過蟲洞,而非黑洞。蟲洞能夠把宇宙中兩處相隔遙遠的地方連接起來,當飛船穿過蟲洞之後,就能實現大範圍的空間穿越。不過,蟲洞只是一種理論模型,目前還沒有證據可以證明這個理論的正確性。
2018-05-26 14:41:55
幻羽
2018年2月17日 - 美國太空總署(NASA)發現,一個超大黑洞增長得比預期快速,已超越了它們所在星系中新星形成的速度,意味宇宙中為數不少的黑洞比科學家原先估計的更大,而且有可能逐漸吞噬它們所在的星系。
星球在生命即將結束時,會塌陷入自體之中,變成體積極小而密度極高的黑洞。大部份星系之中都會發現黑洞,黑洞會吸收周圍的所有物質增加體積,包括光、氣體甚至整個星系。
之前的數據指黑洞以及星系中的星球數量是一起增長的,而科學家原本更估計星系的大小不會影響黑洞增長,但NASA兩個調查發現,黑洞其實比星系中新星形成的速度更快。
其中一個由賓夕凡尼亞州立大學博士楊光(Guang Yang,音譯)進行的研究指,「特大質量黑洞」(supermassive)在一個擁有1,000億個太陽質量恆星的星系之中,其增長速度比起處身在約100億個太陽質量恆星的星系相比,足足快了10倍。
另一個由西班牙太空科學研究所進行的研究,就調查了72個星系,負責調查的博士梅斯夸(Mar Mezcua)亦說:「我們發現黑洞比預期的更加大……它們可能更早就開始增長,又或者它們的增長速度已經持續了數十億年。」研究員調查的黑洞中,幾乎有一半黑洞的質量至少比太陽高100億倍。
2018-05-26 16:01:37
幻羽
2018-01-18 科技日報:
觀測發現,在宇宙早期,比如宇宙大爆炸之後10億年內,就存在品質為百億倍太陽品質的超大品質黑洞。最自然的一類種子黑洞要尋根於宇宙大爆炸後幾億年左右形成的第一代星系。它們中的大品質恒星快速演化到晚期,發生超新星爆炸,核心殘留的天體便是品質約幾百倍太陽品質的黑洞。所謂的黑洞成長時間危機問題,縮短超大品質黑洞成長所需要的時間,天文學家們從理論上提出了多種可能方案,其中有三種廣為接受。
其中一種理論中,科學家假設種子黑洞仍然是小品質的恒星級黑洞,但是成長速度更快,以超過愛丁頓吸積率的速度吃東西。理論研究發現,要想維持超愛丁頓吸積,需要保證種子黑洞深居足夠緻密的氣體中,從而光子無法有效地輻射出去。但是試想,種子黑洞所處的第一代星系中,新形成的恒星還不穩定,會吹出劇烈的星風;演化到晚期的恒星可能進入超新星爆炸階段,產生強烈的衝擊波。在如此不太平的環境中,能否維持那一方緻密氣體包裹住種子黑洞,讓它能保持超愛丁頓吸積直至成長為超大品質黑洞,仍然是個未知。
在另一種方案中,科學家認為宇宙早期就存在中等品質黑洞,種子黑洞生來就更胖,而它們源於氣體雲塊的直接坍縮。這一方案的重點在於,氣體雲塊無法有效冷卻,因而抑制了氣體雲的碎裂和後續的恒星誕生,導致最後直接引力塌縮為中等品質黑洞。在真實的早期宇宙中,具有這種性質的氣體雲塊確實可能存在——一團主要成分為氫和氦的氣體雲,沐浴在紫外光子的海洋中。而針對黑洞吞噬的氣體供給方面,近日上海天文臺沈俊太的研究提供了一種可能,旋渦星系的盤狀結構容易受到自身動力學不穩定性或者星系間的潮汐作用的影響而形成星系棒;早期星系演化中星系棒能夠驅使足夠多的氣體流入星系中心,為形成超大品質黑洞提供了潛在的原料。
不過也有科學家認為,作為種子黑洞的中等品質黑洞,源於經星團歷練後的大品質恒星的塌縮。為了緩解時間危機,後兩種機制沒有試圖加快種子黑洞通過吞噬氣體來成長的速度,而是理論上預言宇宙早期存在中等品質黑洞作為種子黑洞。在上述三種理論中,第二種理論的預言與一些觀測結果相符,因此該理論的受關注度越來越高。
2018-05-26 16:11:24
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