如何區分由反物質和物質組成的黑洞?

2020-12-15 天文在線

根據我們現有的理解,我們還不能將反物質的黑洞和正常的由物質組成的黑洞區分開。事實上,如果它們有相同的質量,電荷量,角動量,二者間將沒有區別。

首先,反物質與普通物質一樣,除了電荷和一些其他性質被翻轉。反物質有正質量,並且以相同的方式受到重力影響。反物質在宇宙中很罕見,因而奇異。但它在遵循物理原則上並不奇異。反物質餅乾在人們看來就和普通餅乾一樣。所以,將反物質引入話題並不會引入任何陌生而奇異的東西。我們可以輕而易舉地問出:「由氫氣組成的黑洞和氦氣組成的黑洞有什麼區別?」答案是並沒有區別。(只要總質量,電荷量,角動量相同)

圖解 :位於M87中心的超大質量黑洞,推估質量達太陽的數十億倍。這是人類史上第一張直接對黑洞觀測的天文影像,由事件視界望遠鏡所拍攝,發表於2019年4月10日。

根據黑洞無毛理論,黑洞有一個有趣的性質。就是所有進入黑洞的信息和結構都會困在裡面,與外面的宇宙相隔,甚至很可能被銷毀。除了它對總質量、電荷量、角動量的影響。黑洞的總質量決定了其引力強度。當科學家討論黑洞的大小時,他們指的其實是黑洞的質量。大黑洞有更大的質量,更大的引力,因此它們對周遭事物影響也更大。當物質掉入黑洞,它使黑洞總質量增加。

圖解:大麥哲倫雲面前的黑洞(中心)的模擬視圖。請注意引力透鏡效應,從而產生兩個放大,以星雲最高處扭曲的視野。銀河系星盤出現在頂部,扭曲成一個弧形。

黑洞的總電荷量巨頂黑洞產生的磁場力量。當具有與黑洞同極性電荷的物質落入黑洞,黑洞的總電荷量會增加。

黑洞的總角動量可以描述黑洞以多快的速度旋轉。當物質做著相同方向的漩渦運動(而不是直接掉進)進入黑洞,可以增加黑洞的角動能,如果以相反的方向進入黑洞,黑洞的角動能則會減小。

圖解:藝術家筆下的黑洞。

在史蒂芬·霍金和羅傑·彭羅斯的《空間與時間的本質》一書中,霍金寫道:

由伊斯雷爾、卡特、羅賓遜和我共同證明的黑洞無毛定理表明,在沒有物質場的情況下,唯一靜止的黑洞是克爾解。這是由質量M和角動能J這兩個參數表徵的。黑洞無毛定理被羅賓森推廣到有電磁場的情形,其中加入了第三個參數,電荷量Q。黑洞無毛定理表明,當一個物體坍縮形成黑洞時,表面的大量信息會丟失。大量的參數描述著坍縮體。這些是物質的類型和質量分布的多極矩。然而,形成的黑洞完全獨立於物質的類型,並迅速失去除前兩個以外的所有多極矩:單極矩(質量)和偶極矩(角動量)。

圖解:質量達太陽10倍的黑洞之電腦模擬圖

我們無法確切地知道在黑洞中會發生什麼,黑洞內的物質可能會凝聚成一個不可分辨的團,或者保持結構但被黑洞巨大的引力困在其中。問題在於,黑洞的中心太小了以至於廣義相對論描述的引力效果已經不準確了。我們需要量子理論來精確地描述微觀尺度下的物理。但我們還沒發展出正確的量子引力理論。因此,我們只有有了精確的量子引力理論才能較好地了解黑洞裡面在發生什麼。同時黑洞內部被屏蔽,不受所有實驗觀測影響,使我們的任務更加困難。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3.八大珊人-wtamu

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