危險的「裸」黑洞可能隱藏在宇宙中

2020-12-03 知新了了

我們知道,黑洞是一個密度無窮大的區域,被稱為奇點。根據主流物理學,每一個吞食宇宙物質的物體都被一個事件視界包圍著。一旦越過這個邊界,你就會掉進去,再也出不來了。

但是,如果一些黑洞是「赤裸」的,也就是說,它完全沒有這樣的邊界呢?就我們所知,奇點總是包裹在事件視界內,但更詳細地研究一下廣義相對論的數學表明,你會發現情況並非如此。

如果這樣的「裸露」黑洞真的存在,並散布在我們的宇宙中,我們該如何探測和發現它們呢?科學家告訴我們一個方法:通過觀察它周圍的光環。

裸奇點

黑洞是愛因斯坦廣義相對論數學理論的結果。這些方程告訴我們,如果一團物質坍縮到體積太小,那麼它的重力會讓它變得越來越小,直到它被壓成一個無限小的點。這個點被稱為奇點,這是一個信號,表明我們用來描述時空的數學完全崩潰了。

奇點的引力是無限強的。物體被拉向奇點的速度比光速還快。在奇點附近,廣義相對論物理學不再能夠預測粒子的未來軌跡,這是物理學的主要觀點之一。如果沒有預測的能力,物理學就會崩潰。

幸運的是,據我們所知,所有奇點都包裹在事件視界中。 事件視界是距奇點的距離,在奇點上,引力足夠強大,可以拉入任何東西。在這一點上,你必須以超過光速的速度才能逃脫。這也就是使黑洞之所以黑的原因 —— 即使光線也無法逃脫。

自從人類第一次發現黑洞的存在,我們就想知道,是否有可能在沒有相關視界的情況下形成一個奇點 —— 也就是一個所謂的「裸奇點」。這將是一個非常危險的地方,因為它將是物理學定律崩潰的地方,宇宙的其餘部分完全可以到達該地方。 至少在傳統的黑洞中,奇點被安全地包裹在事件視界下,因此,即使它是極端未知的物理學場所,至少發生的任何事情都被鎖定在遠離宇宙其餘部分的位置。

扭曲一個點

如果裸奇點存在,它們肯定不常見。我們只知道一種確定的形成奇點的方法,那就是當一顆巨星耗盡燃料並自行崩塌。當這種情況發生時,奇點自然會有一個事件視界。

裸奇點的存在讓物理學家們非常不安,他們推測也許大自然根本不允許它們存在。但到目前為止,我們還沒有任何證據能證明這個想法。

雖然,只有在最極端的條件下,才有可能形成裸奇點。如果一個黑洞在旋轉,它可以形成第二個視界,位於在第一個視界的內部。黑洞旋轉得越快,這些視界就越接近對方。如果它旋轉得足夠快,數學預測事件視界可以「抵消」(實際物理當然要複雜得多),並揭示出一個「赤裸裸」的奇點。

到目前為止,我們還沒有發現任何旋轉速度快到足以暴露其奇點的黑洞,但除此之外,我們通常無法確定一個隨機天體物理對象是普通黑洞還是裸奇點。由視界望遠鏡提供的圖像是一個例外,當然,我們沒有足夠多這樣的圖片。

創造不同

而現在,一位理論物理學家直面這一挑戰,開始研究一個裸奇點是否會以其他方式出現,特別是當它被一圈物質包圍時。這個環被稱為吸積盤,是黑洞(以及潛在的裸奇點)周圍的一個常見特徵。當氣體和塵埃落在一個緻密的物體上時,這些物質會扁平成一個圓盤,然後一直向下匯集。這個圓盤非常明亮,證明了黑洞的存在(事實上,這就是我們如何知道宇宙中絕大多數黑洞存在的方式)。

大多數關於裸奇點的理論研究都假設該物體是孤立存在的,這在真實宇宙中並不成立。但在這項新工作中,這位理論家考察了整個複雜的情況,發現了一個令人驚訝的結果。

吸積盤並不是與黑洞(或裸奇點)完全分離的。圓盤本身有自己的引力,它可以使中心的緻密物體扭曲和變形。這種扭曲反過來影響了物體周圍的重力環境,微妙地改變了物質向內旋轉的路徑。

這位理論家發現,裸奇點的行為確實與正常的黑洞略有不同,裸奇點周圍的吸積盤可能比黑洞周圍的光要亮得多。到目前為止,我們的望遠鏡還不能分辨出其中的差異,但未來的儀器可以,也許更新版的事件視界望遠鏡可以做到這一點。

如果真的能在現實宇宙中發現裸奇點,這將是物理學的重大發現。我們可以指出天空中的某個地方,在那裡,我們知道自己所掌握的知識崩潰了。所以,對已證實的裸奇點周圍的環境進行更詳細的研究,將會揭示宇宙中一些最深層次的奧秘。

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