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黑洞首次展露“真面目” 仍有三大问题待解

来源:南宁晚报 2019-04-14 07:01   http://www.yybnet.net/

人类史上首张黑洞照片人掉到黑洞里面会发生什么?科学家也只能推测

4月10日,整个物理学界陷入一场集体狂欢中——位于全球各地的“事件视界望远镜”(EHT)拍摄的首张黑洞特写照片终于面世,这张照片是黑洞存在的直接证据,拉开了黑洞天文学新时代的序幕。

尽管如此,据报道,英国埃默里大学黑洞研究专家艾琳·邦宁说,黑洞的故事远没有结束,狂欢之后,我们应该明白,有几个与黑洞有关的重要问题仍悬而未决。

谜题一黑洞的巨大喷流如何产生?

中国科学院国家天文台研究员陆由俊介绍说:“所有超大质量黑洞都能吞噬附近物质,吸收穿过黑洞事件视界的物质,并以接近光速的速度将其余物质喷射到太空中,天体物理学家称之为‘相对论性喷流’。”

比如,此次“事件视界望远镜”的拍照“模特”M87星系中心黑洞就因其令人印象深刻的喷射而声名显赫,它喷射的物质和辐射遍布整个太空。它的“相对论性喷流”如此庞大,以至于它们可以完全逃离周围的星系。

物理学家知道这种情况是如何发生的:在物质落入黑洞的引力井时,物质被加速到极快速度,然后其中一些物质“逃之夭夭”。但他们对这种情况发生的细节持不同意见,而最新“出炉”的这张图像及相关文件尚未提供任何详细信息。

邦宁说,要想弄清楚这些细节,需要将覆盖相当小范围的事件视界望远镜观测结果与更大的相对论性喷射图像结合在一起考虑。而且,她认为随着位于银河系中心的超大质量黑洞的图像问世,我们可能会获得不少答案,因为银河系中心超大质量黑洞不像M87星系中心黑洞那样产生喷流,所以比较两张图像可能会厘清一些问题。

谜题二相对论和量子力学如何统一?

每当物理学家聚在一起谈论一个真正令人激动的新发现时,可能都会有人说:这一新发现或许有助于解释“量子引力”。量子引力是物理学领域最大的未解之谜,是物理学江湖中的屠龙刀——得之可得天下。

陆由俊解释称,大约一个世纪以来,物理学家使用两套不同的规则来解释万事万物:他们用广义相对论来解释诸如引力这样的大事,用量子理论来解释非常小的事物。问题是,这两套规则难以统一。因为量子力学无法解释引力,而相对论无法解释量子行为。

那万有引力和量子理论彼此之间就真的“水火不容”吗?物理学家们可不这么想,他们希望未来有一天,创建出一个大一统理论,将这两者囊括其中,而这个未问世的大一统理论可能涉及某种量子引力。在首张黑洞图像宣布之前,有科学家猜测,它可能会在此问题上取得些许突破。

但邦宁对此持不同意见。她说,新图像没有提供可能缩小两个领域之间差距的新物理学。但她同时表示,人们希望从新图像中获得答案这一想法合情合理,因为黑洞阴影的边缘将引力带入微小的量子空间。她说:“我们有望在非常非常接近事件视界的地方,或者在宇宙非常非常早期之时,看到量子引力。”

谜题三霍金和爱因斯坦一样正确吗?

据陆由俊介绍,在物理学家职业生涯的早期,霍金对物理学的最大贡献是“霍金辐射”理论。该理论认为,黑洞实际上不是黑色的,随着时间的推移,它会发出少量辐射。这一点非常重要,因为它表明,一旦黑洞停止生长,它将开始因为能量损失而非常缓慢地收缩。

邦宁说,事件视界望远镜没有证实或否认这一理论。

她说,像M87星系中心黑洞那样的巨型黑洞,与其庞大的体型相比,其发出的霍金辐射可谓“九牛一毛”。虽然我们目前所拥有的最先进的设备可以探测到这些黑洞事件视界的明亮光线,但几乎无法看清超大质量黑洞表面的超暗闪光,因此,也很难发现其辐射。

邦宁认为,人类最终有可能会弄清楚如何制造或找到一个这样的黑洞并且检测到其辐射,从而验证霍金理论的正确性。

黑洞恍如一位遁世的隐者,身上背负着诸多有关宇宙的奥秘,在对其惊鸿一瞥后,对其进行深入研究,将揭示更多秘密,让我们更好地了解宇宙、了解我们自身。

■链接

这是黑洞“本洞吗”?非也!

在照片发布以后,人们欢呼雀跃,仿佛第一次看到了黑洞的真容。然而情况真的如此么?我们真的能“看到”黑洞么?遗憾的是,答案是否定的。

我们知道,一个物体从高处坠落,重力势能会转变成动能,最终体现在物体速度的提升中。如果黑洞周围存在星际物质,或者有颗伴星非常靠近它,那么黑洞强大的引力就会把这些物质吸过来。这些物质会环绕黑洞运动,形成一个环形的物质区域(学名叫吸积盘)。

物质被黑洞引力吸引,掉进黑洞的过程,正是动能急剧增加,摩擦力不断增强的过程。剧烈的摩擦使物质温度急剧增加,向外辐射出巨大的能量。同时由于黑洞自身强大的磁场作用,这些能量会沿着黑洞的磁场方向运动,最终从垂直于吸积盘的方向发射出来,最终穿越数千万光年的距离被地球上的探测器“看到”。

不难看出,人们所拍下的黑洞照片,实际上是黑洞引力范围内吸积盘所产生的辐射能量照片。而黑洞本身由于不发生光和热,所以无法在照片上成像。根据推算,照片中黑色的区域仍比黑洞实际的大小要大得多。真正的黑洞长什么样可能我们永远也无法得知。

史瓦西半径

史瓦西半径是任何具有质量的物质都存在的一个临界半径特征值。1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解,表明如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异的现象,即在质点周围存在一个界面——事件视界面,一旦进入界面,即使光也无法逃脱。后人将此距离称为史瓦西半径,并把上述天体周围史瓦西半径处的想象中的球面叫作视界。

■深度

首张照片公布前我们怎样认识黑洞?

然而在这张照片之前,没有哪位天文学家真正“见过”黑洞,我们得到了一些间接的证据,为什么黑洞这么难被发现,它又如何被确定存在?来看看科学家都发现了什么。

预测黑洞

认定黑洞的存在经过了科学史上漫长而曲折的过程,德国的天文学家卡尔·史瓦西在计算爱因斯坦引力场方程后,得到了一个解:如果能够将大于某一量的物质集中于空间中某一点,周围会存在一个“视界”,一旦进入其中,光也无法逃脱。在纽约的一次会议上,美国物理学家约翰·阿奇巴德·惠勒阐述爱因斯坦的理论和这个发现时,使用了“黑洞(black hole)”一词,就此流传开来。

目前公认的恒星级质量的黑洞是由大质量恒星自身坍缩而形成的。当恒星的核燃料耗尽,也就是恒星到达生命的尽头时,它们会膨胀,失去部分质量,然后冷却形成白矮星。但是这些炽热的天体中较大的,比如9至25倍太阳质量的恒星,它们会随着一场大爆炸——超新星爆发而坍缩成中子星。如果质量再大一些,25个以上的太阳质量,它们会进而演化成黑洞。当然,这些数字也不是绝对的,通常恒星质量级别的黑洞在3至100个太阳质量的区间。

超新星爆发会将恒星的物质抛向太空,只留下核心,爆发后恒星的残骸在自身巨大的引力下向内坍缩。当它持续坍缩,半径收缩到某个程度(史瓦西)半径时,黑洞就诞生了。现在科学家认为银河系中存在着成千上万个恒星质量级的黑洞,至少确认了20多个存在。

当然,如果以质量划分,黑洞还有其他几种类型,如超大质量黑洞(数百万倍太阳质量)和微型黑洞(理论上小于太阳质量)。科学家还不清楚超大质量黑洞是如何形成的,他们推测是黑洞吸收了其附近的恒星和气体云等逐渐长大而成。对于微小型黑洞,天文学家认为可能是在大爆炸后的早期混沌宇宙中形成的。

间接证据

看不见黑洞,并不完全因为它是“黑”的——我们实际上能够观察到的黑洞,是视界以外的部分。黑洞的质量几乎都集中于最中心的“奇点”处,但仍有一个临界半径“视界面”,我们能看到视界面外的物质。但即使是超大质量黑洞,真正让我们看不到它的原因是——它太小了!按《自然》杂志的说法,要一台比哈勃强大1000倍的望远镜才能观测它。

比如这次观察银河系中心的人马座A的质量相当于300万至400万个太阳,它的视界面直径约为2400万公里,相当于17个太阳大小,然而它距离我们有2.5万光年远,实际对我们来说非常微小。另一方面,由于黑洞往往被其他明亮的物质包围,这使得我们很难看到黑洞本身。这就是为什么在寻找黑洞时,天文学家通常不会尝试直接观测,他们要寻找黑洞存在的间接证据,比如黑洞对其周围天体的作用和影响。

天文学家还能通过黑洞周围的吸积盘和发出的喷流而确定它的存在。当物质被黑洞吸收时,会沿着螺旋状的轨道靠近黑洞,从而形成一个圆盘状的吸积盘。在被吸入黑洞的同时,它们还会沿着旋转轴的方向喷出高能粒子,也就是喷流。在黑洞的引力下,吸积盘内物质落入黑洞的速度极快,物质之间的摩擦使它被加热至数十亿摄氏度的高温,从而发出辐射,这些高强度的辐射能被地球上的望远镜捕获到,从而认定黑洞的存在。

科学家还可以观察到黑洞的极端重力对其周围物体的影响。欧洲南方天文台(ESO)16年来观测我们银河系中心的人马座A*运动的恒星数据,发现那些恒星在围绕一处“空白”——黑洞运行。我们并不能看到中间的黑洞,但如果那里真的空空如也,恒星的运动轨道并不会如此。

直接观测

虽然黑洞距离我们过于遥远,天文学家仍想出了办法观测到它。传统的光学望远镜需要使用越来越大的光学镜面来观察宇宙中物体,而对于射电波来说,还有一种虚拟的方法能把口径变大,这就是此次拍下黑洞照片的视界事件望远镜(EHT)。他们利用分布在全球,总共8座毫米波射电望远镜组成了一个观测阵列。

该项目宣布,“拍照”的重点对象是两个黑洞,一个是位于银河系中心的人马座A*,另一个位于代号为M87的超巨椭圆星系中心,此次选择这两个黑洞作为“拍摄对象”是因为它们的可操作性最强,也就是说——它们是我们在地球上最有可能看清楚形状的两个黑洞。简而言之就是,一个够大,一个够近。

银河系中心人马座A*的质量是300万至400万倍于太阳质量。相对于其他所有的黑洞来说,这个黑洞因为它本身在我们的银河系内,是离我们最近,从我们地球上看起来应该是最大的一个黑洞。而第二个被拍摄的黑洞M87虽然距离我们稍微远一些,约为5500万光年,但这个黑洞达到65亿倍于太阳质量,是银河系中心的黑洞质量的1000倍。所以,虽然它离我们稍微远一些,但是从地球上看起来它的大小应该和银河系中心的黑洞差不多。

在物质被黑洞吸附过程中,这些周围的物质会发生摩擦等情况,温度非常高甚至会发光。比如在观测M87的黑洞的过程中,都能看到它是非常明亮的,因此可以非常准确地定位到它的位置。而相比之下“低调”的银河系中心的黑洞,则是通过长时间的观测,通过银河系中心的恒星的运行轨迹,算出它(银河系中心黑洞)的位置在哪里。

■相关

如果掉进黑洞

结果将会怎样?

可能很多人都看过《星际穿越》这部电影,影片主人公就曾经掉到黑洞里面,但是他最后竟然从黑洞中跑了出来,关于他之所以能从黑洞里面跑出来有很多说法,这只是电影剧情的设定,现实中如果有人掉进了黑洞是不可能从里面逃出来的,想要依靠黑洞进行时空穿越,更是做梦了。

黑洞是宇宙中引力最强的单一天体,强到可以扭曲周围的时空,物质中连光都难以逃脱。光子是一种没有静止质量的基本粒子,光线在到达黑洞的视界边缘的时候,就只能向着黑洞的内部前进,因为黑洞的引力不会再让它向外发射。

光子这样的东西都难以逃脱黑洞的引力,人体就更不可能逃脱了,而且人体不会像光子那样到达黑洞的视界边缘才难以逃脱,而是在很远的距离上就无法逃脱了,黑洞的强大引力会把靠近它的一切事物都扯碎,如果人体靠近黑洞的话也一样,先是长度被拉长,矮个子也会被拉成高个子,但最终都会被拉碎成基本粒子,然后跌入黑洞之中,再也不可能出来。

黑洞中的物质被认为集中于奇点,那也是黑洞及其周围的引力中心,所以进入黑洞之后,所有的物质都会趋向于奇点。由于黑洞中的光等电磁波不可能向外辐射,所以进入黑洞之后也不可能看到它的奇点。相反,如果向着黑洞外面望去的话,反倒能“看到”一片光明,这是因为外部的光线正在被吸入黑洞中的缘故。

黑洞里面的世界和外面完全不同,熟知的物理法则在黑洞里面也不适用,所以,黑洞里面到底是什么样子没有人知道,关于黑洞中的一切还都只是猜测。

本版文字综合新华社、中新、中广、《科技日报》报道

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