大家好，歡迎收看我的百家號耐性與骨氣是，今天小編要給大家的介紹的是黑洞的形成及發現。
黑洞
黑洞是宇宙空間中體積極小但密度極大的天體,連光都不能逃脫其巨大的引力。大質量恆星在其自然生命周期結束時,燃料耗盡並向內坍縮,就會形成黑洞。絕大多數星系中都存在可怕的黑洞,與它們相比,即便是引力巨大的恆星都要相形見絀。羅伯特·奧本海默( Robert Oppenheimer)最出名的身份是「原子彈之父」,他領導了曼哈頓計劃,讓美國擁有了核武器。但在長崎和島被毀滅前六年,奧本海默對天體物理學作出了巨大的貢獻。他和同事喬治·沃爾科夫( George Volk)證明了恆星生命終結時形成黑洞的過程。
不過在當時,學術界認為黑洞只不過是一種理論上的探索。許多人常把黑洞與愛因斯坦的廣義相對論聯繫起來,但事實上,黑洞最早是由英國地理學家約翰·米歇爾( John Michell在1784年提出的,而且他當時只是用了牛頓的萬有引力定律。米歇爾思考了牛頓理論中的逃逸速度問題。把一隻球扔到空中,它會落回地面。再用力一點扔它,它會飛得更高一些再落回地面。理論上,只要扔得足夠猛,球就能從地球的引力中逃逸。實現逃逸地球引力的最低速度,就是地球的逃逸速度,略大於1lms其他行星也有各自的逃逸速度,逃逸速度隨行星質量的增大而增加,隨行星體積減小而減小。火星地表的逃逸速度不足地球的一半,而木星的逃逸速度是地球的五倍以上。米歇爾不禁好奇,是否存在逃逸速度大於光速的天體,連光都無法從它們的引力中逃逸出來。他預言性地將這些天體命名為「暗星」( dark star)。
愛因斯坦提出廣義相對論後,德國物理學家卡爾·史瓦西(KarSchwarzschild)推導出了行星或恆星引力場的廣義相對論方程解。他的發現呼應了米歇爾的研究,表明質量為M的恆星,若其體積小於2GM/c（G為萬有引力常數,c為光速),那麼一切都無法從這個天體中逃逸出來。1958年,美國物理學家大衛·芬可斯坦( DavidFinkelstein)將光都無法逃逸且半徑2GMc2的天體外表面命名為「事件視界」。任何不幸墜入黑洞事件視界的東西將水近無法從中逃逸,註定會消失在黑洞中心那個密度無限大的點,即奇點。但當時幾乎沒有科學家認為存在這樣的天體。對此持懷疑態度的人包括阿爾伯特·愛因斯坦。愛因斯坦認為,所有天體都會旋轉,而旋轉會抵消掉引力坍縮,從而使得天體穩定下來。天體縮小時(就像滑冰選手收回手臂),它的旋轉速度會更快,而旋轉會產生向外的離心力。洗衣機旋轉時衣服貼在洗衣機內側,就是離心力的作用。
黑暗之心
通常來說,恆星通過熱壓來對抗引力。恆星核心的核反應會產生熱,其內部的原子及分子因此運動加快,從而產生壓力,這就是支撐恆星不坍縮的力量。而當恆星壽命終結時,其核心的核燃料已經耗盡,恆星就會冷卻,從而導致內部壓力下降,進而導致在引力的作用下坍縮。
事實證明,單靠旋轉不足以中止坍縮。但量子理論提供了可以中止這一進程的力。20世紀30年代,印度物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡( Subrahmanyan Chandrasekhar)證明,被壓縮到一起的電子會因泡利不相容原理而對彼此施壓力。泡利不相容原理指出,量子粒子不會共享量子狀態,並會排斥將兩個或以上的粒子壓縮到相同狀態。電子間的這種壓力叫做電子簡併壓力,受此壓力支持不坍縮的恆星就是白矮星。白矮星的密度極大,相當於具有太陽的質量和地球的體積。錢德拉塞卡的計算結果顯示,白矮星的最大質量約為太陽質量的14倍,若超過該值,白矮星就會坍縮。
超過錢德拉塞卡極限的白矮星會坍縮成密度更大的天體—中子星,相當於將太陽的質量壓縮到半徑20千米的範圍。奧本海默和沃爾科夫又在此基礎上繼續推算,計算出了中子星能抵抗引力不坍塌的最大質量。他們的方程顯示,中子星的最大質量約為太陽質量的3倍,若超出此質量,就沒有力量能阻止它坍縮成一個點了。20世紀60年代,中子星的發現讓人們對奧本海默和沃爾科夫的研究更感興趣了。1967年,美國物理學家約翰·惠勒( John wheeler)把這種天體稱為「黑洞」,因為它們既不會反射也不會釋放出光。這一術語很快被物理學界所採納。
黑暗視界
黑洞會吸引物質圍繞黑洞的赤道旋轉,這些被吸引過來的物質會彼此摩擦並升溫,從而釋放出X射線。科學家就是藉此在1964年發現了第一個黑洞。這個黑洞名為天鵝座X1—這是天鵝座中最亮的x射線源的天文學縮寫。這個黑洞屬於一個雙星系統,即兩顆恆星圍繞彼此運行的系統。天文學家通過分析天鵝座X-1的運動,推算出了其質量為太陽質量的87倍,遠超奧本海默所估算的極限值。如今,人們發現了無數恆星級質量的黑洞,並且在包括銀河系在內的大多數星系的中心都擁有龐大的超巨質量黑洞。最大的黑洞位於M87星系,其質量約為太陽質量的64億倍。