黑洞:结构、起源与如何探测它们

黑洞是宇宙中的一种天体,在它们的边界内有庞大的质量,所以黑洞具有非常强大的引力场。事实上,黑洞的引力大到进入其内部的任何东西都无法逃脱——即使光也无法逃离,它与恒星、气体和尘埃一起被困在黑洞内。大多数黑洞的质量是太阳的许多倍,而最重的黑洞的质量则是太阳的数百万倍。

由视界望远镜捕捉到的M87中心的黑洞影像。(图源:美国国家科学基金会/盖提)

尽管黑洞的质量如此之大,但是形成黑洞核心——奇点,却从未被观测或是拍摄到。正如“奇点”这个词所表明的那样,它是空间中一个拥有巨大质量的小点。天文学家们只能通过黑洞对周围物质的影响来研究它们。黑洞周围的物质在“事件视界”区域之外形成了一个旋转的圆盘,任何东西一旦进入“事件视界”,在黑洞引力的作用之下将无法逃离。

黑洞的结构

计算机模拟的星系中央的超大质量黑洞。(图源:美国国家宇航局等。)

黑洞的基本构成要素是奇点——一个包含黑洞所有质量的极小的空间区域。它的周围是一个连光都无法逃脱的空间,因此得名“黑洞”。这个区域的外部“边缘”形成了事件视界。在这个看不见的边界上,引力场的拉力等于光速,即重力和光速相平衡。

视界的位置取决于黑洞的引力。天文学家使用公式Rs= 2GM/c2.计算黑洞视界的范围。R是奇点的半径,G是重力,M是质量,c是光速。

黑洞的类型以及形成方式

黑洞有不同的类型,它们的形成方式也各不相同。最常见的类型是恒星质量的黑洞,这些黑洞的质量大约是太阳的几倍。当大的主序恒星(其质量是太阳的10 - 15倍)耗尽它们核心中的核燃料时,将发生一场巨大的超新星爆炸,爆炸会将恒星的外层物质炸向太空,剩下部分则坍缩形成黑洞。

艺术插画:蓝色的恒星质量级的黑洞正在从邻近的恒星吸取物质。(图源:欧洲航天局等)

另外两种类型的黑洞是超大质量黑洞和微型黑洞。单一的超大质量黑洞可以包含数百万甚至数十亿个太阳的质量。而微型黑洞,顾名思义,是非常小的,它们的质量可能只有20微克。对于这两种类型的黑洞产生的机制,我们并没有完全弄清。而且微黑洞只存在于理论中,目前尚未被我们直接探测到。

我们发现大多数星系的核心部分有超大质量黑洞的存在,它们的起源仍然存在激烈的争论。超大质量黑洞可能是小的恒星质量黑洞和其他物质合并的结果。一些天文学家认为,它们可能是在一颗巨大的恒星(质量是太阳的数百倍)坍缩时产生的。不管怎样,这些黑洞的质量都大到可以从多方面影响银河系,比如影响恒星出生率、恒星的轨道及其附近的物质。

许多星系的中央都有超大质量的黑洞,如果它们在积极地“进食”,它们就会释放出巨大的喷流,此时即为活动星系核。(图源:美国国家航空航天局/加州理工学院-喷气推进实验室)

另一方面,微型黑洞可能在两个高能粒子碰撞时产生。科学家们认为这种情况在地球上层的大气中持续发生,也可能在欧洲核子研究中心等地的粒子物理实验中发生。

科学家是如何测量黑洞的

由于光线无法从黑洞周围的视界逃逸,所以没有人能真正“看到”黑洞。然而天文学家可以通过它们对周围环境的影响来测量和描述它们。靠近其他天体的黑洞会对它们产生引力效应。另一方面,黑洞的质量可以由黑洞周围物质的轨道来决定。

一个被加热的电离物质包围的黑洞的模型。这可能就是银河系黑洞的“样子”。布兰登·德弗里斯·卡特,CC0,维基百科。

实际上天文学家通过研究黑洞周围的光的行为来推断黑洞的存在。由于本身具有的巨大质量,黑洞可以产生足够的引力来改变光的路径。当黑洞后面的恒星相对于黑洞进行运动时,它们发出的光会出现扭曲,或者是那些恒星看起来会以一种不寻常的方式运动。根据这些信息,天文学家可以确定这个黑洞的位置和质量。

这种现象在星系团中尤为明显。星系团与其中的暗物质、黑洞的质量结合在一起产生巨大的引力,当更远处的天体发出的光经过该星系团时,光被弯曲,你就会看到奇形怪状的弧和环。

天文学家也可以通过黑洞周围被加热的物质发出的放射物,比如无线电或x线,来观察黑洞。这些物质的速度也为其试图逃逸的黑洞的特征提供了重要的线索。

霍金辐射

天文学家探测黑洞的最后一种方法是通过一种被称为霍金辐射的原理。霍金辐射是以著名的理论物理学家和宇宙学家斯蒂芬·霍金的名字命名的,霍金辐射是热力学的一个推论,热力学要求能量从黑洞中逃逸。

这一原理的基本思想是由于真空中的自然相互作用和波动,物质以电子和反电子(正电子)的形式被创造出来。当这种情况发生在视界附近时,一个粒子从黑洞中喷射出去,那么另一个粒子将落入黑洞的引力井。

对于观察者来说,他们所“看到”就是那个从黑洞中喷射出来的粒子,这个粒子被认为具有正向能量。这意味着,根据对称性,另一个落入黑洞的粒子会有负向能量。其结果是,随着黑洞年龄的增长,它会逐渐失去能量,因此也会损失部分质量(根据爱因斯坦的质能方程,E=Mc2,其中E=能量,M=质量,c=光速)。

作者: John P. Millis, Ph.D

FY: 平陆成浆

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