銀河系還存在上億黑洞……聽國家天文臺研究員講黑洞研究史

2021-01-13 新華社客戶端

黑洞本身是一個引力非常強的天體,要追溯黑洞的歷史,要追溯到人們對萬有引力的認識。

萬有引力的發現可以追溯到17世紀,牛頓坐在蘋果樹下面看到蘋果掉下來,激發了靈感。他不僅僅意識到這種現象,而且寫下了公式,那就是有關於引力的萬有引力公式。在此基礎之上,牛頓得到了人們所熟知的逃逸速度公式。

在此之後,更多科學家根據牛頓的理論作了進一步的應用和推廣。在18世紀的法國,數學家拉普拉斯想像在宇宙當中有可能會存在著一種天體,它非常緻密,以至於從它自身發出的光都不能夠從它周圍逃脫出來。現在看來這天體就是最樸素的對於黑洞的一種想法。

到了19世紀,更多科學家的觀測對於牛頓的理論提出了一些挑戰。到20世紀初的時候,物理學家愛因斯坦首先提出了狹義相對論,在十年之後又提出了廣義相對論,對引力提出了顛覆性的認識,比如認為引力場其實並不是由質量引起的,而是時空被質量、有質量物體彎曲以後的效應。

在愛因斯坦1915年提出廣義相對論之後的幾個月,德籍物理學家史瓦西得到了精確的愛因斯坦場方程解,這就是「沒有轉動黑洞的史瓦西解」。在史瓦西1916年得到這個解之後的幾十年間,黑洞研究的進展其實非常緩慢。

在20世紀30年代末,美國的原子彈之父奧文海默和他的學生得到了一種學說:恆星在死亡塌縮的時候有可能塌縮成一個緻密的奇點,並且推導出了這個質量的下限,3.2個太陽質量左右。

當時間進入20世紀60年代的時候,黑洞的研究迎來了兩項突破性進展:1963年紐西蘭的數學家羅伊·克爾通過數學求解的方式第一次精確得到了愛因斯坦場方程的帶有旋轉黑洞的精確解。1964年,用觀測方法發現了第一顆恆星級的黑洞。正是理論和觀測同時的突破,使得黑洞研究領域迎來了它的黃金時代,在接下來的二三十年,一大批天文學家、物理學家投身於這個領域。現在人們所知道的有關於黑洞知識基本上都是在這段時間內得到的。

在這一時期,有一位非常知名的相對論物理大師——普林斯頓大學的教授約翰·惠勒,他不僅學術研究非常出色,而且在科學傳播方面也做了非常多的工作。黑洞這個名字經過他的推廣,才得以被眾人所知。另外,蟲洞這個名詞也是他提出的。

在惠勒之後,霍金進一步發現了所謂的霍金輻射,改變了之前經典廣義相對論對於黑洞的認識。

到目前為止,科學家已經發現了非常多的黑洞,通過質量可以把它們分解為三大類:

一類是恆星量級的黑洞,也就是說它的質量可以從3倍太陽質量到100個太陽質量之間。

第二類稱之為超大質量的黑洞,它的質量起點是幾十萬倍的太陽質量,或者上百萬倍的太陽質量,一直到幾十億倍甚至於上百億倍的太陽質量。介於其中的這一類黑洞,稱之為中等質量的黑洞。但是對於中等質量的黑洞,現在觀測的直接證據非常少,但是理論研究證明,它們應該是存在的,所以尋找中等質量的黑洞也是目前研究的一個熱門課題。

對於黑洞,它可以說是宇宙當中最為神奇,也是最為簡單的一類天體。對於黑洞,只需要3個物理量就可以描述它,一個是它的質量,一個是它的轉動,另外一個就是它的電荷。

在宇宙當中,氣體幾乎都是以等離子體狀態存在,會存在非常多的自由電荷。如果一個黑洞帶電,那很容易吸附周圍的帶電粒子而達到電力平衡。所以最終只剩下兩個物理量,一個質量,一個轉動,這個時候,就可以通過所謂的克爾度規來完整描述天體物理學當中的黑洞,科學家主要的任務就是測量黑洞的這兩個基本量。

在銀河系中,按照理論,還應該存在著上億個恆星量級的黑洞。但遺憾的是人類到目前為止僅僅探測到了幾十個,而且只有不到20個恆星量級的黑洞有非常精確的質量測量,其他將近上億個的黑洞,現在並沒有探測到。(中國科學院國家天文臺研究員 苟利軍)

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