神奇的黑洞

黑洞是一種引力極強(qiáng)的天體，就連光也不能逃脫。當(dāng)恒星的史瓦西半徑小到一定程度時，就連垂直表面發(fā)射的光都無法逃逸了。這時恒星就變成了黑洞。說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質(zhì)一旦掉進(jìn)去，“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光無法逃逸，所以我們無法直接觀測到黑洞。然而，可以通過測量它對周圍天體的作用和影響來間接觀測或推測到它的存在。黑洞引申義為無法擺脫的境遇。2011年12月，天文學(xué)家首次觀測到黑洞“捕捉”星云的過程

黑洞[1][2]的產(chǎn)生過程類似于中子星的產(chǎn)生過程;恒星的核心在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發(fā)生強(qiáng)力爆炸。當(dāng)核心中所有的物質(zhì)都變成中子時收縮過程立即停止，被壓縮成一個密實(shí)的星體，同時也壓縮了內(nèi)部的空間和時間。但在黑洞[3]情況下，由于恒星核心的質(zhì)量大到使收縮過程無休止地進(jìn)行下去，中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來的是一個密度高到難以想象的物質(zhì)。由于高質(zhì)量而產(chǎn)生的力量，使得 黑洞

任何靠近它的物體都會被它吸進(jìn)去。黑洞開始吞噬恒星的外殼，但黑洞并不能吞噬如此多的物質(zhì)，黑洞會釋放一部分物質(zhì)，射出兩道純能量--伽馬射線。 也可以簡單理解:通常恒星的最初只含氫元素，恒星內(nèi)部的氫原子時刻相互碰撞，發(fā)生聚變。由于恒星質(zhì)量很大，聚變產(chǎn)生的能量與恒星萬有引力抗衡，以維持恒星結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。由于聚變，氫原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)最終發(fā)生改變，破裂并組成新的元素--氦元素。接著，氦原子也參與聚變，改變結(jié)構(gòu)，生成鋰元素。如此類推，按照元素周期表的順序，會依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成。直至鐵元素生成，該恒星便會坍塌。這是由于鐵元素相當(dāng)穩(wěn)定不能參與聚變，而鐵元素存在于恒星內(nèi)部，導(dǎo)致恒星內(nèi)部不具有足夠的能量與質(zhì)量巨大的恒星的萬有引力抗衡，從而引發(fā)恒星坍塌，最終形成黑洞。說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質(zhì)一旦掉進(jìn)去，就再不能逃出。跟白矮星和中子星一樣，黑洞可能也是由質(zhì)量大于太陽質(zhì)量好幾倍以上的恒星演化而來的。 當(dāng)一顆恒星衰老時，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料(氫)，由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍，直到最后形成體積無限小、密度無限大的星體。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度(一定小于史瓦西半徑)，質(zhì)量導(dǎo)致的時空扭曲就使得即使光也無法向外射出--“黑洞”誕生了。

恒星的時空扭曲改變了光線的路徑，使之和原先沒有恒星情況下的路徑不一樣。光在恒星表面附近稍微向內(nèi)偏 黑洞

折，在日食時觀察遠(yuǎn)處恒星發(fā)出的光線，可以看到這種偏折現(xiàn)象。當(dāng)該恒星向內(nèi)坍塌時，其質(zhì)量導(dǎo)致的時空扭曲變得很強(qiáng)，光線向內(nèi)偏折得也更強(qiáng)，從而使得光線從恒星逃逸變得更為困難。對于在遠(yuǎn)處的觀察者而言，光線變得更黯淡更紅。最后，當(dāng)這恒星收縮到某一臨界半徑(史瓦西半徑)時，其質(zhì)量導(dǎo)致的時空扭曲變得如此之強(qiáng)，使得光向內(nèi)偏折得這么也如此之強(qiáng)，以至于光線再也逃逸不出去 。這樣，如果光都逃逸不出來，其他東西更不可能逃逸，都會被拉回去。也就是說，存在一個事件的集合或時空區(qū)域，光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者，這樣的區(qū)域稱作黑洞。將其邊界稱作事件視界，它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。

黑洞圖片(20張) 與別的天體相比，黑洞十分特殊。人們無法直接觀察到它，科學(xué)家也只能對它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想。而使得黑洞把自己隱藏起來的的原因即是彎曲的時空。根據(jù)廣義相對論，時空會在引力場作用下彎曲。這時候，光雖然仍然沿任意兩點(diǎn)間的最短光程傳播，但相對而言它已彎曲。在經(jīng)過大密度的天體時，時空會彎曲，光也就偏離了原來的方向。 在地球上，由于引力場作用很小，時空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，時空的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達(dá)地球。觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術(shù)。 更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達(dá)地球，它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強(qiáng)引力折射而能到達(dá)地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”，還同時看到它的“側(cè)面”、甚至“后背”，這是宇宙中的“引力透鏡”效應(yīng)。

1.巨型黑洞 宇宙中大部分星系，包括我們居住的銀河系的中心都隱藏著一個超大質(zhì)量黑洞。這些黑洞質(zhì)量大小不一，從約100萬個太陽質(zhì)量到大約100億個太陽質(zhì)量。 天文學(xué)家們通過探測黑洞周圍吸積盤發(fā)出的強(qiáng)烈輻射推斷這些黑洞的存在。物質(zhì)在受到強(qiáng)烈黑洞引力下落時，會在其周圍形成吸積盤盤旋下降，在這一過程中勢能迅速釋放，將物質(zhì)加熱到極高的溫度，從而發(fā)出強(qiáng)烈輻射。黑洞通過吸積方式吞噬周圍物質(zhì)，這可能就是它的成長方式。 這項(xiàng)最新的研究采用了全世界最先進(jìn)的地基觀測設(shè)施，包括位于美國夏威夷莫納克亞山頂，海拔4000多米處的北雙子座望遠(yuǎn)鏡，位于智利帕拉那山的南雙子座望遠(yuǎn)鏡，以及位于美國新墨西哥州圣阿古斯丁平原上的甚大陣射電望遠(yuǎn)鏡。 2.大質(zhì)量黑洞的成長 觀測結(jié)果顯示，出現(xiàn)在宇宙年齡僅為12億年時的活躍黑洞，其質(zhì)量要比稍后出現(xiàn)的大部分大質(zhì)量黑洞質(zhì)量小10倍。但是它們的成長速度非?？欤蚨F(xiàn)在它們的質(zhì)量要比后者大得多。通過對這種成長速度的測算，研究人員可以估算出這些黑洞天體之前和之后的發(fā)展路徑。 該研究小組發(fā)現(xiàn)，那些最古老的黑洞，即那些在宇宙年齡僅為數(shù)億年時便開始進(jìn)入全面成長期的黑洞，它們的質(zhì)量僅為太陽的100到1000倍。研究人員認(rèn)為這些黑洞的形成和演化可能和宇宙中最早的恒星有關(guān)。 天文學(xué)家們還注意到，在最初的12億年后，這些被觀測的黑洞天體的成長期僅僅持續(xù)了1億到兩億年。 這項(xiàng)研究是一個已持續(xù)7年的研究計劃的成果。特拉維夫大學(xué)主持的這項(xiàng)研究旨在追蹤研究宇宙中最大質(zhì)量黑洞的演化，并觀察它們對宿主星系產(chǎn)生的影響。 3.黑洞的好處(別認(rèn)為他只會是破壞者) 在用天文儀器探究后，發(fā)現(xiàn)在銀河系核心部，有上10個黑洞，所產(chǎn)生的引力不堪設(shè)想，它們的能量相當(dāng)大，可以產(chǎn)生一種能量束，產(chǎn)生一種氣體，經(jīng)數(shù)十億年之后，便形成了星云，由星云便產(chǎn)生了行星。 4.已知最大的黑洞 美國加州大學(xué)伯克利分校華裔天文學(xué)家馬中佩帶領(lǐng)一個科研小組，最近發(fā)現(xiàn)了科學(xué)界迄今所知最大的兩個黑洞。它們分別位于NGC 3842和NGC 4889星系，屬銀河系的中心地帶，距離地球約2.7萬光年，每個質(zhì)量約為太陽的100億倍。