黑洞是不是黑色的?它會走向滅亡嗎?這些常識你應該要知道

2020-12-01 吳國平數學教育

在北京時間2019年4月10日21時左右,人類成功拍攝到了黑洞的第一幅「照片」,這張照片在中國上海和臺北、美國華盛頓、比利時布魯塞爾、智利聖地牙哥、日本東京、丹麥靈比六地同時發布。

2019年4月10日這一天註定會成為人類文明進程的一個重要日子,至少是探索宇宙空間奧秘裡程碑式的時間點。

這是我們人類第一次真正意義上「看」到了「黑洞」,傳說中的「黑洞」也終於揭開神秘面紗。

愛因斯坦在廣義相對論中,預言提出了在浩瀚的宇宙空間內存在的一種密度極大、體積極小的天體,這種神秘天體的引力非常非常的大,大到什麼程度呢?連光都無法逃脫,會被它吸走。

自從愛因斯坦提出在宇宙中存在著這樣神秘的天體,它讓所有科學家為之著迷和瘋狂,誰都想證明「黑洞」存在,或者認為這只是一種假設。

誰給這種神秘天體命名為「黑洞」呢?

美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒把這種神秘的天體命名為「黑洞」。

「黑洞」是黑色的嗎?

很多人以為「黑洞」這個名字當中有個「黑」字,認為它就是黑色。其實這種認識是非常錯誤,「黑洞」並不「黑」,只是它無法被直接觀測到而已,但是我們可以藉由間接方式得知其存在與質量,並且觀測到它對其他事物的影響。

「黑洞」是怎麼形成的?

人有生老病死,宇宙中萬物同樣也會衰老死亡,如我們熟悉的恆星。

假設在將來的某一天,某顆大於太陽質量好幾十甚至幾百倍以上的恆星在核聚變反應燃料耗盡時,內核會急劇塌縮,所有物質快速的向著一個點坍縮,最終坍縮成一顆黃豆大小的奇點,並形成一個強大的力場漩渦,扭曲周圍時空,成為「黑洞」。

直白的講:當一顆垂死恆星崩潰的時候,它將聚集成一點,這裡將成為黑洞,它將吞噬鄰近宇宙區域的所有光線和任何物質。

恆星為什麼會衰老滅亡和塌縮呢?

當某一個恆星逐漸衰老,走向滅亡的時候,它的熱核反應已經耗盡了核心的燃料,那麼由核心產生的能量已經不多了。一旦恆星進入這樣衰亡的狀態,那麼它就再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。

這就好比我們在水裡,假設就只存在水的浮力和地球的重力這兩種力,當浮力≥重力的時候,我們就可以漂浮在水面上,一旦水的浮力逐漸變小,甚至消失,那麼重力就會把水裡的萬物拉入水底,不能逃脫。

因此,當恆星在外殼重壓的作用之下,往內部拼命擠壓收縮,那麼核心在自身重力的作用下開始坍縮,物質將不可阻擋地向著中心點進軍,直到最後形成體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。

當這樣的星體半徑收縮到一定程度的時候,巨大的質量產生非常大的引力,導致時空扭曲,使得即使光也無法向外射出,經過的光或物體也會被「吸收」,這就是「黑洞」。

什麼是視界呢?

一般情況下,我們把「黑洞」的邊界稱為視界。

我們知道,「黑洞」是一種高質量、密度非常大的天體,這樣就導致它能產生非常大的引力,使得任何靠近它的物體都會被它吸進去,光也不例外,造成一個結果就是「黑洞」無法直接被觀測到。

因此,我們把剛好能被觀察到的那個時空界面稱為視界。如發生在「黑洞」裡的不會被黑洞外的人所觀察到,因此我們可以稱黑洞的界面為一個視界。

「黑洞」具有的超強引力使得光無法逃脫它的勢力範圍,該勢力範圍稱作「黑洞」的半徑或稱作視界。

怎麼證明「黑洞」的存在?

雖然愛因斯坦在廣義相對論中預設提出「黑洞」這一神秘天地,但科學家們早期想證明它的存在,還存在一定困難,甚至引發一些科學家質疑其是否存在。

時間就是最好的答案,「黑洞」這一神秘天體在經過漫長的時間推測後,已經慢慢被人們所接受。

目前在學術界主要有以下三類方法證明其存在:

一是恆星、氣體的運動透漏了黑洞的蹤跡。

黑洞有強引力,對周圍的恆星、氣體會產生影響,於是我們可以通過觀測這些變化和影響來確認黑洞的存在。

二是根據黑洞吸積物質,也就是吃東西時發出的光來判斷黑洞的存在。

三是通過觀測到黑洞成長的過程來「看」見「黑洞」的存在。

根絕新聞報導,到目前為止,科學家們在銀河系發現和確認了20多個恆星級質量「黑洞」,但可能有上千萬個恆星級「黑洞」候選體。

「黑洞」有大小之分嗎?

「黑洞」最大的特點就是質量和密度非常大,因此天文學家們根據質量的大小,將宇宙中的「黑洞」分成三類:

1、恆星級質量「黑洞」(幾十倍—上百倍太陽質量);

2、中等質量「黑洞」(幾十倍—上百倍太陽質量<中等質量黑洞<幾百萬倍太陽質量);

3、超大質量「黑洞」(幾百萬倍太陽質量以上)。

根據相關理論的推算,在宇宙空間每個星系中心都有一個超大質量的「黑洞」,如我們居住的銀河系中心就有一顆超大質量「黑洞」,它的質量大約是太陽質量的400多萬倍。同時,天文學家們預測銀河系中應該存在著上千萬個恆星量級的黑洞。

「黑洞」會滅亡嗎?

在普通大眾的認知裡,既然「黑洞」是宇宙空間內一種密度極大、體積極小的天體,由於它超強的引力連光都能吸走,應該屬於無敵,是不是屬於「不死之身」呢?

其實不是,「黑洞」也會走向滅亡,直至消失。「黑洞」周圍的引力場會釋放出能量,同時消耗黑洞的能量和質量。

因為根據物理學裡的質能方程E=mc2,說明能量的損失會導致質量的損失,那麼「黑洞」也是如此。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,這個現象被稱為「霍金輻射」。

「黑洞」的質量越來越小時,它的溫度會越來越高,直到「黑洞」的爆炸。

自從愛因斯坦在廣義相對論裡預言「黑洞」的存在,再到第一張「黑洞」照片的誕生,整整耗費一百多年的時間。在這個過程中,包括霍金在內無數科學家耗費大量的心血,都想弄清楚「黑洞」的內部是什麼樣子?「黑洞」和宇宙爆炸論又有什麼關係呢?還有很多未知問題等著人類去探索和解決,相信在不久的未來,科學們會給我們一個答案,那時人類應該能在星辰大海中觀察「黑洞」。

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  • 關於黑洞,你一定要知道的物理知識!
    黑洞會死亡嗎?黑洞的誕生標誌著大質量恆星的死亡,但是黑洞是不是也會死亡呢?實際上確實很有可能,而黑洞的直接死因可能就是——霍金輻射。在介紹霍金輻射之前,我們需要先聊一聊量子場論中的真空的概念。現在讓我們重新回到進入黑洞的問題,如果你想要進入黑洞,我強烈建議你一定要找個朋友陪你一起去,你的朋友在外面看著你進入的全過程,如果你有幸從黑洞裡出來,你們討論起這個事情,你會聽到一個完全不同的故事。
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