黑洞形成過程的發現與證實

2020-12-04 天文在線

一名航行途中消磨時間的學生成為了第一個指出恆星死亡時的命運的人

1930年,一名名叫蘇布拉馬尼揚·錢德拉賽卡的20歲印度學生乘船從馬德拉斯出發,前往英格蘭攻讀天體物理學。在航行途中,他擺弄表達恆星穩定性的公式來解悶,幾行推導之後,他得出了一項重大的發現。

當時的天文學家對恆星的運行只有粗淺的了解。他們理解了恆星是在宇宙的平衡條件限制下燃燒的火球。恆星的氣體想要散發到周邊的真空空間中,但重力將它們吸引在一起。類似太陽的恆星中保持著這樣的平衡,但這需要恆星氣體的燃燒,即我們現在所講的核聚變反應的持續進行。

然而,還未知的是當恆星的燃燒停止時會發生什麼。根據上述的平衡條件,重力看起來會佔上風,將恆星壓縮;當恆星半徑變小時,其表面的重力效應會變得更強。天文學家將一類小型恆星稱為白矮星,這類恆星擁有很大的密度,即當它們重量和太陽相等時,它們的體積只和地球一樣。這些燃燒殆盡的恆星的密度使得它們內部的原子被緊密地壓縮在一起。再進一步的壓縮將使原子結構被破壞,這最初在量子物理中被認為是不可能發生的。

在錢德拉賽卡的推算中,他發現當公式裡恆星的質量足夠大時,重力的壓縮作用將使得原子中的電子加速到接近光速,使得恆星核心的硬度降低,變得更易被壓縮,這預示著恆星的進一步坍縮。當不受外力影響時,這一星球將由於自身的重力完全坍縮,形成今日我們所稱的黑洞。但在1930年時這一理論被認為過於另類而未被接受。

錢德拉賽卡計算出了重力坍縮的極限質量,這一質量後來被稱為錢德拉賽卡極限,為1.44太陽質量。當他抵達英格蘭時,他公開提出了他的計算結果,但被無視或被反駁為年輕無知的人的胡話。當時最權威的天文學家亞瑟·愛丁頓爵士甚至在1935年在皇家天文學會中公開嘲笑錢德拉賽卡,稱自然界中應有定律『阻止行星做出這樣荒謬的演變!』

但歷史證明愛丁頓錯了。當一顆燃燒殆盡的恆星的質量超過錢德拉賽卡極限時,它確實會坍縮。一個可能的結果是所有的原子都被擠壓成為中子並在坍縮成大約雪梨那麼大時達到平衡並形成中子星。中子星在1960年代被發現,並在今天形成了天文學中一個重要的分支。多數中子星的質量在錢德拉賽卡極限附近。質量更大的行星的結局將是完全坍縮,收縮成幾公裡直徑的大小。這一密度所形成的重力即使光也無法逃逸,這時一個黑洞形成了。

雖然黑洞的理論經過了幾十年才被完善和接受,它的基本原理就隱藏在愛因斯坦1915年發布的廣義相對論中。錢德拉賽卡在他1983年獲得諾貝爾獎的致謝詞中也寫道:「這一重要發現是基於卡爾·施瓦西於1916年發表的文章中的理論的。」黑洞存在的可能性存在於愛因斯坦的理論中,但錢德拉賽卡基於這一理論證明了黑洞可能由死亡的恆星演變而來。

在錢德拉賽卡獲得諾貝爾獎時,黑洞理論已經被完全建立和接受,他當年的計算也得到了證明。但他覺得愛丁頓的嘲笑太過分,於1937年決定離開英國並定居在美國,在那裡他做出了傑出的學術貢獻並在1995年去世。

錢德拉賽卡去世後留下了一個問題:會不會在中子星和黑洞之間還存在一個中間態?這樣的星球將大於1.44倍太陽質量,大於形成中子星的質量,但卻存在一些密度超大的粒子阻止了它的繼續坍縮-比如夸克-構成質子和中子的粒子。至今,還沒有夸克星被發現,但這一理論依然成立。也許還會有另一個天才學生發現這一理論的現實存在。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. PAUL DAVIES-然

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