乘坐堅不可摧的宇宙飛船,進入黑洞會發現什麼?一個神奇的地方

2020-12-06 李論科學

「黑洞是時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體」。——廣義相對論

黑洞是整個宇宙中最令人費解的物體之一,也是我們比較關注的一個奇異天體。它的密度如此之大,引力如此之強,以至於落入其中的任何東西,甚至光都無法逃脫。那麼如果我們決定從很遠的地方開始靠近黑洞,並越過視界面進入黑洞,這一路上我們會看到什麼?

一個距離我們十分遙遠的黑洞,並沒有什麼特殊之處

自從黑洞在理論上被提出以來,我們已經在宇宙中發現了許多物理黑洞,從質量較小的恆星黑洞到星系中心的超大質量黑洞,其質量也從太陽質量的數十倍到數百萬倍甚至數十億倍不等。在銀河系的中心,我們已經觀察到了大量的恆星圍繞著一個質量約為400萬個太陽質量的中心點在運動,而且這個中心點完全不發光。

這隻有一種解釋,這個中心質點就是一個黑洞。

銀河系中心的這個黑洞稱為人馬座A*,是一個確定的黑洞候選者,由於它的質量相對來說並不是很大(M87星系中心黑洞65億個太陽質量),因此它並不活躍,沒有發出可觀測的X射線或者物質噴流。我們僅可以通過測量圍繞它運行的恆星來推斷出它的存在以及質量。這也是為什麼我們公布的黑洞照片是距離我們5500萬光年的M87黑洞,而不是我們自己銀河系的黑洞。

當我們乘坐宇宙飛船接近黑洞的視界面時,會發生一些非常違反直覺的事情,而且一旦穿過視界面,將永遠無法逃離黑洞!即使我們有一艘能夠以任意大的速度向任何方向加速的宇宙飛船,也無濟於事。

原因與愛因斯坦最偉大的成就有關,廣義相對論告訴我們,質量/能量的存在會使時空發生彎曲,而黑洞的密度和質量可以使其附近的時空發生最強烈的扭曲。

但離黑洞越遠,空間結構就越平坦,也就是說黑洞雖然引力大,但作用範圍也是有限的。事實上,當我們離黑洞很遠的時候,它的引力和其他質量(中子星,普通恆星還是瀰漫的氣體雲)產生的引力並沒有什麼區別。

只有我們觀察引力源的時候,才會發現它並不像我們熟知的氣體雲,不像恆星,也像不中子星,而是一個完全黑色的球體,從中看不到任何光線,因此就有了「黑洞」這個綽號。

這個球形區域被稱為事件視界,它不是一個物理實體,而是一個有一定的大小的空間區域,沒有光可以從中逃逸。

當我們接近一個黑洞的時候,它看起來就像一個完全漆黑的空洞,在空間背景下,周圍環境的光線會被嚴重的扭曲。

對於質量相當於地球的黑洞來說,這個黑色的球體半徑很小,大約為1釐米,而對於質量相當於太陽的黑洞來說,這個球體的半徑將接近3公裡。如果我們把黑洞的質量一直放大到超大質量黑洞,例如我們星系中心的那個黑洞,那麼它的大小將比木星到太陽軌道的距離還要大,或跟紅巨星參宿四的大小一樣!

這就是我們遠距離看黑洞時候的樣子,沒有什麼特殊的地方!

那麼當我們接近並最終進入一個黑洞時會發生什麼?

從很遠的地方看,我們所看到的黑洞幾何結構與計算相匹配。但是當我們乘坐裝備精良、堅不可摧的宇宙飛船旅行並開始接近黑洞時,會注意到一些奇怪的現象。根據我們常識,如果我們和一顆恆星之間的距離減半,那麼這顆恆星的角大小就會是原來的兩倍。如果距離縮短到四分之一,它看起來會是原來的四倍大。但是黑洞不是這樣的。

黑洞大小的增長速度比我們想像的要快得多,假如黑洞本身是滿月的大小,但因為空間曲率的影響我們看到的黑洞將是四倍於滿月的大小!

當我們靠近黑洞時,時空會彎曲的越來越嚴重,這時我們可以通過背景星光看到時空的曲率。

確切地說,黑洞的表觀面積增大的非常快,當我們離它只有大約10個史瓦西半徑時,黑洞的大小就已經發展到幾乎可以擋住宇宙飛船的整個前景視野。

如果我們繼續前進接近視界半徑的150%時,就會注意到飛船的前景視野完全變成黑色,一旦我們穿過這個點,即使是背對著黑洞的方向,也開始被黑暗籠罩。這也是由於來自不同光源的光線在這個高度彎曲的時空中的傳播方式發生了改變,這些光線已經不能沿直線傳播到達我們的眼睛了。例如,當我們把一個電荷放到一個導電球體附近時,下圖中的電場線看起來就像光線在黑洞周圍的傳播方式。

這個時候我們還沒有越過事件視界,仍然可以逃離黑洞。飛船上的重力傳感器可以告訴我們,在黑暗的中心有一個明顯的重力梯度,這時只要讓飛船掉頭向相反的方向提供足夠的加速度,就可以逃離黑洞的引力,回到安全,平坦的時空。

但如果一意孤行,繼續向視界下降,最終會看到星光在我們身後壓縮成一個小點,由於重力藍移,那個點會先變成紅色,白色,然後是藍色,這是因為宇宙微波和無線電背景會在引力的作用下轉移到光譜的可見部分,這是我們最後一次看到光線,也是最後一次看到外面的宇宙!

但外部的觀察者看來,在我們的宇宙飛船穿越視界面的那一刻,一切都好像靜止了,我們發出的光會紅移到光譜的紅端,我們會在視界面處緩慢的下降知道消失,但我們這時早已經進入了黑洞。

在越過視界面以後,沒有來自外部宇宙的光子會到達我們眼睛,剩下的只是黑暗,什麼都沒有。如果我們這時後悔了,覺得黑洞裡也沒什麼意思,決定出去!因為我們有堅不可摧的宇宙飛船,還有可以提供無限動力的引擎。你可能認為出去並不是難事。

首先我們要找到出去的方向才能加速,但是這時的重力傳感器會告訴我們在各個方向上都有一個重力梯度,甚至是你認為的與奇點相反的方向。也就是說在視界面內已經沒有方向可言,奇點好像無處不在。我們不管朝哪個方向走,都會靠近奇點。

那麼這個過程會持續多久?假如我們穿過位於銀河系中心400萬倍太陽質量的黑洞視界時,儘管這個黑洞的視界直徑為大約1光時,我們只需要大約20秒左右的時間就能到達奇點。

任何加速度,都會使我們以更快的速度接近奇點!因此生存時間最大化的方法就是不要試圖逃跑!聽天由命,因為奇點在各個方向上,不管我們朝哪裡看,都有一個向下的重力梯度。

這就是當我們落入黑洞時,所發生的事情!

相關焦點

  • 黑洞裡有什麼?倘若乘坐堅不可摧的宇宙飛船,我們能看到什麼?
    宇宙是非常龐大的,在宇宙中有很多神秘的事情,很早以前科學家就對宇宙進行了探索,曾經愛因斯坦還提出黑洞的理論,在愛因斯坦的相對論中,表示在宇宙中還存在這一個引力超大的天體,連光速都無法逃脫的出來。後來黑洞被人們證實,並且在2019年4月首張黑洞照片面世,讓人們對黑洞有了更全面的認識,但是黑洞可以吞噬宇宙中的很多物質,所以人們對於黑洞還是充滿了好奇,黑洞的內部有什麼呢?倘若人類乘坐堅不可摧的宇宙飛船進入黑洞,我們又會看到什麼呢?
  • 假如有一艘堅不可摧的宇宙飛船,一路飛進黑洞會看到什麼?
    黑洞是宇宙中最黑暗的天體,因為它引力強大到連光都無法從其視界內逃逸,因此我們不可能直接觀測到它,假如有一艘無比堅固的宇宙飛船從外部飛向黑洞,一路上我們到底能看到什麼樣的風景?其實黑洞並不是被發現的,它曾經只是科學家用數學推導出來的東西,原理其實很簡單,假如當一個物體的質量大到在其直徑內連環繞速度達到光速都無法逃逸時,那麼這個物體就會形成黑洞!怎麼來理解這個問題呢?
  • 為何黑洞被稱為宇宙裡面最「神奇」的地方?看完明白了!
    我們先不說宇宙飛船在飛行時需要克服其他天體的吸引力,我們首先來說一下當宇宙飛船面臨黑洞的時候就會存在著被銷毀的風險,然而黑洞目前是科學家們發現最強大的也是對神秘的天體之一。如果你是在宇宙當中遨遊,黑洞有可能在明亮的地方被你看到,甚至還有可能隱藏在宇宙的黑暗之處,畢竟至今沒有哪個生物能夠在經過黑洞的時候,成功擺脫黑洞的吸引力,一般面臨的都是被吞噬的命運。
  • 如果進入黑洞後會怎麼樣呢
    2019年4月10日,事件視界望遠鏡(英文簡稱EHT)組織首次在全球召開發布會,公布了黑洞的照片,這是人類首次通過觀察發現黑洞。愛因斯坦廣義相對論被再次證明他的正確性。黑洞是個神秘的物體,而有人會好奇,如果進入黑洞會怎麼樣?
  • 如果進入黑洞後會怎麼樣呢
    2019年4月10日,事件視界望遠鏡(英文簡稱EHT)組織首次在全球召開發布會,公布了黑洞的照片,這是人類首次通過觀察發現黑洞。愛因斯坦廣義相對論被再次證明他的正確性。黑洞是個神秘的物體,而有人會好奇,如果進入黑洞會怎麼樣?
  • 落入黑洞後會發生什麼?
    如果你能夠將空間可視化,會發現它不僅僅是一個平坦的網格,它會在各種質量的作用下變形。當你僅在萬有引力的作用下穿越宇宙的時候,扭曲的網格將會決定你怎樣移動。但是當你裝備著精良的裝備和堅不可摧的宇宙飛船時進行宇宙航行時,隨著逐漸靠近黑洞,你會發現一些奇妙的事情。 當你的距離是之前的一半時,它的尺寸會比之前的兩倍還要大;當你的距離是之前的四分之一時,它的尺寸會比之前的四倍還要大。 與常識相違背的是由於誇張的空間曲率,看起來似乎與預期不同,黑洞的尺寸相對於距離成比例地增加。
  • 70光年之外的地方,一個奇怪的黑洞被發現,它究竟是什麼?
    特別是在對宇宙的了解上,如果沒有科學家們的猜想和發現,人類可能一直到今天,仍然「坐井觀天」。舉個例子來說,100多年前,愛因斯坦提出了黑洞的猜想,後來經過多名科學家的研究後,最終,進入21世紀,人類對於黑洞的了解也越來越多,那麼,黑洞究竟是什麼?它都有哪些類型?今天,我們就一起來討論一下。
  • 人類進入黑洞會發生什麼,科學家提出了新理論
    來自科羅拉多大學的安德魯·漢密爾頓(Andrew Hamilton)對於人類進入黑洞會發生什麼有另一種理論。他透露,從理論上講,物體到達事件視界後如何能夠雙向移動。如果將物體放置在太空中,那麼它們將以某種方式移動,如果將物體靠近黑洞,則不可避免地必須接近光速,否則它們將掉入內部。
  • 進入黑洞會看到什麼?可能是一場穿越未來的神秘旅行
    當大質量的恆星死亡後,它又會演變為更強大的一類天體黑洞。對於黑洞,相信大家不會陌生,雖然我們對它的了解極其少,但是由於大質量黑洞事件視界的存在,我們也不難發現它們。只不過中小質量的黑洞,我們就很難發現它們了。曾經有人提出一個假想:如果我們進入黑洞會看到什麼?可能是一場穿越未來的世界旅行。如果你潛入一個巨大的黑洞之中,想要看看事件視界的另一邊,到底是什麼樣的景象?
  • 如果你進入黑洞會怎麼樣
    如果你掉進黑洞的時候會看見什麼呢?你有沒有機會回來?會穿越到另一個宇宙麼?黑洞是現代廣義相對論中,宇宙空間內存在的一種天體,是時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體。黑洞的引力很大,使得視界內的逃逸速度大於光速。
  • 黑洞會呆在一個地方還是會移動?
    黑洞會在宇宙中漂移嗎?黑洞是否會像巨大的流氓行星一樣在星系中漂移,吞噬著附近的任何物體?我們的太陽系會不會有一天會在這樣一次相遇中走到盡頭呢?也就是說黑洞實際上是在宇宙中漂移的,但是就像恆星一樣,黑洞進入和離開我們的太陽系幾乎沒有重大影響。天文學家報告說,就在7萬年前,當早期人類開始在地球上站穩腳跟時,發現了一顆從太陽系外圍經過的疑似小黑洞的恆星。這顆名為斯科爾斯恆星的恆星,距離太陽最近的距離只有0.5光年。相比之下,距離太陽最近的已知恆星是位於4.2光年的近人馬座恆星。
  • 一個正常人被吸進黑洞,會變成什麼?科學家揭秘黑洞內部是什麼
    黑洞擁有巨大的引力,連光都無法從中逃脫。如果掉進黑洞將會發生什麼事情呢?儘管被稱為黑洞,但是黑洞並不是黑色空曠的空間,黑洞是由一顆巨大的恆星死亡時。留下的較小的殘餘核心,如果核心至少是太陽質量的三倍,重力將壓倒所有力量,並將核心變為黑洞。
  • 黑洞模擬機展示了生物進入黑洞的後果,真實情況會有那麼可怕嗎?
    引言:在宇宙中,越是神秘的天體越是能夠引起人類探索的欲望,黑洞就是神秘天體的代表。人類研究黑洞將近一百年了,直到最近我們才拍攝到它們的真面目。都說黑洞有著強大的引力,會將任何靠近的物體撕碎。那麼如果有生物活著進入黑洞,它會經歷什麼呢?
  • 在一個不太可能的地方發現龐然大物黑洞
    黑洞是太空中的一個地方,在那裡,引力如此之大,甚至連光都出不去引力如此強大,是因為物質被擠壓到了一個很小的空間裡。當一顆恆星瀕臨死亡時,這種情況就會發生。但是當一個黑洞死亡時會發生什麼呢?整個宇宙中最神秘的地方之一?是的,那些黑洞。事實證明,它們並不是完全、完全、100%的是黑色的。事情是這樣的。
  • 人類掉入黑洞中,會一直在裡面生活,還是會有別的情況出現呢?
    人類不小心掉入黑洞中,會面臨什麼?我們是否可以安然無恙?黑洞最早進入大眾的視野,大體是在愛因斯坦相對論的提出之後。早在19世紀,有不少天文學家就已經發現宇宙中可能存在黑洞。對於黑洞的存在,有人不禁疑惑,地球是否也會被吞噬呢?人可能會變成「麵條人」對此,科學家認為有這樣的可能,黑洞強大的吸引力,足以讓地球無處可逃。在未來,地球一旦進入黑洞之中,就會發生變形扭曲。在地球生存的人類,有可能也會被拉伸,變成像麵條一樣的形狀。
  • 當你突然掉進黑洞,會發生什麼事情?是否會進入到另一個宇宙空間
    這個神秘的天體就是黑洞,在愛因斯坦剛剛提出黑洞預言時,人們並不相信這種可怕的天體的存在,可是隨著時間的推移,科技進步,人類探索宇宙時,發現了許多千奇百怪的天體。並且科學家發現這種神秘天體是存在的,還發現了黑洞存在的依據。我們沒有辦法靠近黑洞並且對他進行深入的研究,所以人類對於黑洞的了解很少。
  • 為什麼說:進入黑洞「事件視界」奇點後,就別想再出來了?
    黑洞可以合併彼此靠近的黑洞往往會漂移得更近,發生的情況是:這些黑洞在引力的作用下互相依附,並開始圍繞彼此旋轉。它們形成一個雙星系統,當它們旋轉時,它們將逐漸因引力輻射而失去能量。它們彼此將靠得越來越近,圍繞彼此旋轉的速度越來越快,最終雙星黑洞會合併,並釋放出引力波。
  • 進入黑洞之後會發生什麼?黑洞的奇點到底長什麼樣?
    但下一個驚人的事件要輪到你來完成了:你要進入一個巨大的黑洞之中,看看黑洞視界的另一邊到底是什麼。你會在裡面發現什麼呢? 接近黑洞 首先我們需要澄清一些定義。黑洞有很多種:大的,小的,有帶電荷的,有不帶電荷的,有快速旋轉的,還有靜止不動的。
  • 人不小心掉進黑洞會怎樣?科學家:可能瞬移到另外一個世界
    情景一般都是穿越到過去或未來,或到達另外一個世界。看起來很神奇,或許很多人認為這是科幻片,都是想像出來的。其實這些場景並不是憑空想像,而是建立在一定的科學基礎上的。自從霍金提出黑洞理論之後,科學家對黑洞的探索更是著迷。通過對黑洞的深入了解,科學家發現,黑洞有可能有著超大的魔力,實現穿越並不是不可能的事。為什麼這麼說呢?
  • 如果中子星碰撞變黑洞,地球讓黑洞吃了,人類會進入另一個空間?
    在新的研究中,科學家們發現擁有相對更柔軟、或更具彈性內部結構的中子星,它們更有可能因為碰撞而發生合併,然後形成一定質量大小的黑洞。反之,如果兩個中子星的內部物質並不柔軟,也沒有什麼彈性,反而比較堅硬,那麼這兩個中子星在碰撞之後更有可能形成旋轉速度更快、質量更大的中子星,這個能夠抵擋重力崩潰的中子星並沒有形成黑洞。