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黑洞是在宇宙空间发现的一些最奇怪和最迷人的物体,在银河系中也存在着大量的黑洞

时间:2019-12-17 02:54

自从1970年人类所发现了第一个黑洞之后,而无数的科学话题都一直围绕这黑洞这个天体,但是霍金却提出,黑洞其实并不存在,而有些人就觉得疑惑了,那么黑洞不存在的话,为何会出现有星球和物体被黑洞天体而吞噬的呢,一起来看看离地球最近的黑洞究竟有多远到底如何吧。澳门新葡8455最新网站 1 地球周围隐藏着多少黑洞 黑洞是根据爱因斯坦的广义相对论所推论,在宇宙中存在的一种奇异天体。由于黑洞将时空极度扭曲,以至于在一定范围内连光也无法逃脱。一旦某个物体不幸靠近黑洞,那么它将被无情地吞噬。 实际上,在银河系中也存在着大量的黑洞。当谈及银河系黑洞时,想必大多数人都会条件反射地想到银河系中央的超大质量黑洞人马座A*。这好比一头栖息于银河系中心区域的巨兽,质量相当于太阳的400万倍,吞吐之间惊天动地。以至于处于26000光年之外的我们也得以探究一二。 除了这颗超大质量黑洞,银河系的大多数黑洞都是恒星型黑洞。这些黑洞是大质量恒星超新星爆发的产物,质量通常为太阳的十几倍。在银河系中,恒星型黑洞数量众多,有些甚至就隐藏在太阳系周围。 目前为止,科学家发现的距离我们地球最近的黑洞是麒麟座V616(V616 Monocerotis),大约位于2800光年之外,质量为太阳的9-13倍。 其次便是天鹅座X-1(Cygnus X-1),距离地球约6000光年,质量约为太阳的15倍。这是银河系中一个著名的X射线源,是最早被广泛承认为黑洞的候选星体。对此,霍金还和基普索恩打过赌,他认为这不可能是黑洞。最终,在大量观测数据面前,这场赌约以霍金认输而告终。 再远一些的就是天鹅座V404(V404 Cygni)了。这颗距离地球约7800光年的黑洞的质量约为太阳的12倍。早在18世纪,天鹅座V404就被科学家所察觉了,只不过当时它被认为是一颗变星。直到1989年它的一次爆发再次引起了科学家的注意,随后才被确认是一颗恒星型黑洞。 实际上,以上这三颗科学家发现的离地球最近的黑洞有一个共同的特征它们都处在一个双星系统中,都被一颗伴星紧密环绕。这也正是科学家得以探测到它们的原因所在。这三颗黑洞正在不断地吞噬着伴星的物质,大量物质在还未落入事件视界内时就被加热到了超高温度,于是爆发出惊人的X射线。 NASA的钱德拉X射线望远镜和欧航局的XMM-牛顿卫星可以有效地捕捉到这些X射线,从而对宇宙中的黑洞进行探测。 那么问题来了,如果一颗恒星型黑洞没有伴星,而是安安静静地做个美男子,科学家岂不是很难探测到它们的存在吗?去年的一项研究曾首次发现一颗黑洞发射出微弱的无线电波,但却无X射线爆发。科学家在7200光年外发现这颗安静的黑洞表明了银河系中可能还隐藏着大量未被发现的黑洞。是否还有距离我们更近的黑洞潜伏在周围呢? 对于银河系中黑洞的数量,科学家还可以基于超新星爆发的数量来进行的估算。再考虑到银河系尺寸,就可以进一步测算出银河系中黑洞分布的密度。据此估计,在我们的银河系中大约每隔125光年就存在一个黑洞。 当然,这只是一个非常粗略的估计。毕竟,黑洞可能因合并等原因而要稀缺得多,并且它们不见得会均匀地分布。然而,毋庸置疑的是,银河系中还有大量的黑洞未被发现。 一般情况下,这些黑洞并不会对地球造成威胁。如果我们倒霉地遇到了隐藏在附近的流浪黑洞,那就另当别论了。 霍金提出黑洞其实并不真实存在 著名的理论物理学家斯蒂芬霍金在论文预印本网站上传了一篇有关黑洞性质的论文。霍金在论文中指出,黑洞附近时空的量子涨落非常猛烈,因此可能不存在一个物质落进去就永远无法逃逸的清晰边界,即所谓的事件视界(Event Horizon). 但是该论文没有通过同行评议。 位于天鹅座的一颗黑洞和伴星形成的双星系统。这也是人类确认的第一颗黑洞。 在论文中,他强调了黑洞的表观视界(Apparent Horizon)这一概念,落入黑洞的物体只是暂时被囚禁其中,等到表观视界消失之后,被囚禁的物质会以另一种无法辨认的方式释放出来。不过,霍金并没有给出表观视界怎样消失的具体证明。即使霍金是对的,也只能说我们要改变传统上对黑洞性质的认识,这并不等于说黑洞就不存在了。 黑洞的存在是毋庸置疑的,已经被大量天文观测所证实。恒星级质量的黑洞是大质量恒星燃尽其内部的核燃料,在自身引力的作用下发生坍缩而成,这种黑洞的形成会伴随有伽马射线暴,这种天文现象经常被运行在太空的伽马射望远镜捕捉到,我们不时能从NASA看到这样的新闻。在我们银河系的中心,就有一颗质量达太阳质量440万倍的大质量的黑洞,这种黑洞的形成机制目前还没有完全定论,估计是由中小质量的黑洞合并而成。 总体来看,霍金的这篇论文并不是严格意义上的学术论文,而是一场网络学术研讨会上的发言稿,只能算是一种学术观点。 黑洞理论简史 1916年,在爱因斯坦广义相对论刚刚提出后,德国天文学家史瓦西就得到了爱因斯坦场方程的第一个严格解,即史瓦西度规。从这个解中,我们可以得到一个推论,如果有一种力量能够把太阳压缩到一个半径不到3公里的球,那么外部的观测者就将再也无法看到阳光,这样就形成了一颗黑洞。实际上,太阳的质量还不够大,自身的引力还不够强大到把自己压缩成黑洞。但在宇宙中,特别是早期宇宙,不乏能够坍缩成黑洞的大质量恒星。 1939年,美国原子弹之父奥本海默及其合作者从广义相对论出发,给出了宇宙中最致密的中子星所能够承受的质量上限,约等于3.2个太阳质量。一旦演化末期的恒星内核的质量超过这一极限,就没有任何力量能够阻止它自身引力坍缩,最终会形成一颗黑洞。 后来,英国理论物理学家霍金和英国数学物理学家彭罗斯提出了奇性定理,论证了黑洞中的物质最终都会落向一个密度无穷大的奇点(Singularity)。奇点被事件视界所包围,黑洞中的任何物质都无法逃逸出。伙子的回答实在太巧妙了! 黑洞到底存不存在 但最近,美国物理学家劳拉梅尔辛-霍顿发表了一篇文章,声称黑洞并不存在。虽然之前也有许多人这样说过,例如英国物理学家霍金也曾说过黑洞不存在(不过他指的是字面意思)。但是梅尔辛-霍顿的研究极为特殊,看似无懈可击。如果她是正确的话,那么物理学和天文学都得重新改写。 那么是否要把黑洞扔进科学史的垃圾桶里?先别急着回答,首先我们来看看这位物理学家为什么认为黑洞不存在。 没有黑洞,只有爆炸 霍金在1974年发现,尽管任何物质都无法从黑洞里逃离出来,但黑洞会产生辐射。这种辐射被叫做霍金辐射,它是一种量子现象,出现的原因是真空中会随机出现一对虚粒子。这对虚粒子一个具有正能量,一个具有负能量,加起来为零。通常情况下它们出现后会彼此迅速湮灭掉,但是如果它们出现在黑洞的事件视界附近,那么其中的一个会掉进黑洞,另一个可以逃离黑洞。虽然有一个粒子已经掉到黑洞里面去了。但掉进黑洞的粒子具有负能量,会减少黑洞的质量。这样时间一长,黑洞就会不停地产生粒子并向外辐射,并损失质量。 梅尔辛-霍顿的研究就是基于霍金辐射的。大多数的黑洞,是通过恒星的坍缩形成的。她认为,当恒星在晚年坍缩时,霍金辐射就已经出现了,这时会有负能量不断注入恒星内核,并减少它的质量。这样一来,负能量会产生一种排斥力,在恒星即将变成黑洞之前,恒星会因排斥力会停止坍缩,并反弹开来,这就根本就无法形成黑洞,所以她认为黑洞不存在。 可是,如果恒星级黑洞不存在,那天文学家成天观测的是什么? 是的,弗吉尼娅,真的有黑洞 很显然,黑洞是很难直接被观测到的。另外,也无法通过霍金辐射直接看到黑洞,因为这种辐射太弱了。尽管如此,我们仍可以找到黑洞存在的证据。如果它们不是黑洞,也至少看起来像黑洞。 首先,被发现的黑洞很少是一个孤立系统。黑洞周围常常有物质围绕或落入其中,这样物质会在黑洞周围形成吸积盘,就像不幸的船只被卷入漩涡中。物质越靠近黑洞速度就越快,物质之间会产生摩擦,生成热量并产生X射线,并可被我们的望远镜观测到。另外,黑洞对伴星的影响也可以被观测到。 我们怎么知道我们所看到的就是黑洞呢?天文学家可以对它周围物质的运动情况进行分析,推测出这个物体的质量和体积,然后就可以使用广义相对论来分析它是否足以形成一个黑洞。这个论证过程很难会有差错,因为我们的力学理论和广义相对论都经受住了各种考验,而且准确地预测了各种现象。所以一位美国天体物理学家针对梅尔辛-霍顿的理论热情洋溢地回复到: 黑洞绝对存在,我们通过观测就能知晓。我们通过围绕银河系中心恒星的轨道,知道那里有一个超大质量黑洞;我们知道有双黑洞系统;我们已经发现了超过100万个黑洞的红外信号;我们知道有恒星级黑洞和中级质量黑洞;我们可以看见气体云被黑洞的引力所撕碎;我们还可以获取黑洞的照片。是的,弗吉尼娅,真的有黑洞。(弗吉尼娅是一位8岁小女孩的名字,她曾写信给《纽约太阳报》,询问是否有圣诞老人。《纽约太阳报》回复中说:是的,弗吉尼娅,真的有圣诞老人。这句话成为一个句式,广为流传。) 有如此强有力的观测证据证明黑洞是存在的,那么梅尔辛-霍顿的研究是怎么回事?如果她的研究没有问题,那么如何解释这些观测结果呢?她后来回复说,我们所观测到的很像黑洞,但它们没有事件视界和奇点,我们应该给它们换个名字,因为它们不是黑的。但因为她所说的这个东西与黑洞很难区分,所以目前还无法验证她的这种观点。 这个模型是错的 如果观测证据表明黑洞真的存在,那么梅尔辛-霍顿的模型是否在哪个地方出错了呢?其中一个嫌疑最大的地方就是负能量,这个可能是霍金辐射中最令人困惑的概念。当负能量进入黑洞内部,会使得黑洞损失质量。就是这么简单吗?负能量为什么会是负的呢? 美国天体物理学家安德鲁汉密尔顿指出,梅尔辛-霍顿把黑洞内的霍金辐射看成具有负能量的流体,具有排斥力,最终会使得黑洞反弹而不是形成奇点,这个理论是错误的。 汉密尔顿认为,霍金辐射只能在事件视界附近产生,如果不存在事件视界,那么就没有霍金辐射。所以,当恒星在晚年坍缩时,霍金辐射就已经出现了的说法是错误的,因为没有事件视界的出现。另外,霍金辐射产生的粒子在黑洞内部具有负能量,但是对于附近的观察者来说这个粒子还是正的,不会对周围产生排斥力,所以梅尔辛-霍顿所说的排斥力是不存在。因此,她的模型就有了问题。 其他一些科学家也认同汉密尔顿的观点。另外还有人指出,霍金辐射作用十分微弱,根本没有梅尔辛-霍顿所预期的那样强。 没有黑洞,就没有悖论 另外,梅尔辛-霍顿的文章里提到了一个所谓的火墙悖论。火墙是霍金辐射粒子在事件视界上形成的一堵墙,会阻止新的物质向里面落入,但广义相对论认为,观测者穿过事件视界时不会注意到有任何变化,时空是光滑的。这个问题被称为火墙悖论,而且目前还没有达成一致的解决方案。但霍顿认为她的理论就是一种解决方案,因为黑洞根本不存在,那么就没有什么火墙悖论了。 但是火墙悖论的存在,并不意味着黑洞不存在。黑洞产生火墙是通过量子力学得出的结论,而这结果与广义相对论相矛盾,所以这种悖论本质上是广义相对论与量子力学不相容的结果。我们可能需要一种能把广义相对论与量子力学结合在一起的理论,才能真正解决火墙悖论。 其他种类的黑洞 另外一个问题,梅尔辛-霍顿的文章只考虑了恒星级黑洞,因为其他种类的黑洞可能由完全不同的机制形成的。 理论上,黑洞的质量可以是任何值。你可以把一个苹果或任何其他的东西变为黑洞,只要你能把它压缩得足够小。甚至微观黑洞都可以存在,但目前还没有观测到微观黑洞,而且如何形成这种小的黑洞也尚不知晓。 另一面则是超大质量黑洞,其质量至少是10万倍太阳质量,大的可达百万倍太阳质量。超大质量黑洞是个神秘事物,因为我们还不清楚它们是怎么形成的。事实上没有哪个恒星大到能够坍缩成超大质量黑洞。 观测显示,每一个星系中心都具有超大质量黑洞,甚至最小的矮星系都有超大质量黑洞。而且观测显示,它们不可能不是黑洞。例如,银河系中有一个非常光亮及致密的无线电波源,叫做人马座A*,有很多颗恒星以不同的轨道围绕着它,我们据此可以计算出这里含有的物质的质量和体积。结果表明,人马座A*这里存在的物质具有很大的质量,超过400万倍太阳质量,而且这些质量被限制在4400万千米直径的球体内(水星离太阳最近的距离约为4600万千米)。根据广义相对论,这里必然存在着一个黑洞。 另一种黑洞则是处在恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的黑洞,叫做中级质量黑洞,质量可达数百个太阳质量或更多,天文学家还不清楚它们是怎么形成的。一些解释认为它们可能是多个恒星级黑洞合并形成的,或宇宙大爆炸之后早期物质的坍缩。中级质量黑洞的是否真的存在还有待证实,不过目前已经发现了一些候选者。 梅尔辛-霍顿的模型与上面的情况不相符。即使她是对的,恒星级黑洞真的不能形成,那么也许可以通过其他途径来形成黑洞。 总之,基于堆积如山的观测证据证明黑洞是存在的,而一个新的理论的提出还不足以来把黑洞概念抛弃掉。不管怎样,她的理论还是有价值的,值得物理学家和天文学家重新思考,虽然大多数的人并不是她理论的粉丝。

黑洞是在宇宙空间发现的一些最奇怪和最迷人的物体。它们是密度极高的物体,具有很强的引力,即使光离它们足够近,也无法逃脱它们的控制。

问:黑洞是什么?黑洞是什么时候形成的?天文学家能看到黑洞吗?黑洞的“视界”是什么?

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阿尔伯特·爱因斯坦

答:黑洞是广义相对论方程所预测的理论产物。当一颗质量足够大的恒星发生引力坍缩时,它的大部分或全部质量被压缩到一个足够小的空间,在那个点上产生无限时空曲率,在此时黑洞就形成了。如此巨大的时空曲率不允许任何东西逃离“视界”或边界,就算是连光都不行。

阿尔伯特·爱因斯坦在1916年首次用广义相对论预言了黑洞。术语“黑洞”,1967年由美国天文学家约翰·惠勒创造,1971年发现了第一个被证实的黑洞——天鹅座X-1(Cygnus X-1)。

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尽管观测结果与黑洞产生影响的预测相符,但黑洞从未被直接观测到。存在少量替代理论来解释这些观测,比如磁层永久坍缩天体,虽然其中大多数观测都避开了黑洞中心的时空奇点,但绝大多数物理学家认为,黑洞理论是这些观测的最有可能物理解释。

天鹅座X-1辐射源

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已知有三种类型:恒星质量黑洞、超大质量黑洞和中等质量黑洞。

相对论之前的黑洞

恒星质量黑洞——虽小但致命!

在18世纪,有人提出超大质量的物体可能会吸引光进入其中。牛顿光学是一种视光为粒子的微粒理论。

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约翰·米歇尔(John Michell)在1784年发表了一篇论文,预测一个半径是太阳半径500倍的物体,由于其表面的逃逸速度将达到光速,所以人类无法观测到它。然而,在20世纪随着光波理论的兴起,人们减弱了对这一理论的兴趣。

恒星质量黑洞IC 10 X-1,恒星伴星是一种被称为沃尔夫-拉叶特星

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当一颗恒星燃烧完它最后的燃料时,它可能会坍缩,或者坠入自身。对于较小的恒星,其质量大约是太阳质量的三倍时,新的核心将是中子星或白矮星。但当较大的恒星坍缩时,它会继续压缩,形成一个恒星黑洞。

在近代物理学中科学家很少提及这些理论产物,为区别于真正的黑洞,它们被称为“暗星”。

由单个恒星坍缩形成的黑洞很小,但密度大得令人难以置信。这种天体的质量是太阳质量的三倍或更多,其体积仅相当于一个城市的大小。这就导致了对它周围物体的巨大引力。黑洞吞噬着周围星系的尘埃和气体,并不断扩大。

澳门新葡8455最新网站 ,相对论中的黑洞

根据哈佛-史密森天体物理中心的说法:“银河系至少包含了几亿颗恒星质量黑洞”。

1916年,爱因斯坦发表了广义相对论。几个月后,物理学家卡尔·施瓦茨柴尔德(Karl Schwartzchild)提出了一个意想不到的结果—球形质量爱因斯坦方程的解(称为施瓦茨柴尔德度规)。

超大质量黑洞——恐怖巨人的诞生!

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表示半径的术语有一个令人不安的特征。似乎在一定半径下,这一项的分母将变为零,这将导致这一项在数学上“爆炸”。这个半径,称为Schwartzchild半径,rs,定义为:

星系NGC 1277中心黑洞质量相当于170亿个太阳,这是已知最大的黑洞!

rs = 2 GM/ c 2

小黑洞充斥着宇宙,但是它们的近亲,超大质量黑洞占据了主导地位。超大质量黑洞的质量是太阳的数百万倍甚至数十亿倍,但其半径只与太阳的半径相似。这样的黑洞被认为位于包括银河系在内的几乎所有星系的中心。

G是重力常数,M是质量,c是光速。

科学家们不确定如此巨大的黑洞是如何产生的。一旦它们形成,它们就会从周围的尘埃和气体中聚集质量,而这些物质在星系中心十分丰富,使它们能够成长到巨大的尺度。

事实证明,施瓦茨柴尔德的工作对理解黑洞至关重要,所以将他的名字翻译成“黑盾”是一个奇怪的巧合。

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黑洞的性质

斯皮策太空望远镜发现的两个遥远的无尘类星体

如果一个物体的质量M在rs内,我们认为它是一个黑洞。从半径来看黑洞重力的逃逸速度是光速,所以rs指视界。黑洞通过引力把物质吸进来,但这些物质中没有一个能逃脱。

超大质量黑洞可能是成百上千个小黑洞合并在一起的结果。大型气体云也可能是原因之一,它们一起坍缩并迅速聚积。第三种可能是恒星群的崩溃,一群恒星一起坠落。

黑洞常被解释为物体或质量“落入”其中。

中等质量黑洞——神秘的存在。

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Y看着X掉进黑洞

NGC 5408超铝x射线源每115.5天发生周期变化,可能存在一个中等质量黑洞

在X到达rs时它将冻结,Y观察到X上理想化的时钟慢下来