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地球周圍到底隱藏了多少的黑洞

時(shí)間: 睿檸1003 分享

  自從1970年人類所發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)黑洞之后,而無數(shù)的科學(xué)話題都一直圍繞這黑洞這個(gè)天體,黑洞號(hào)稱可以吞噬一切,人們擔(dān)心地球也被吞噬。下面是小編分享的地球周圍隱藏的黑洞數(shù)量,一起來看看吧。

  地球周圍隱藏的黑洞數(shù)量

  黑洞是根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論所推論,在宇宙中存在的一種奇異天體。由于黑洞將時(shí)空極度扭曲,以至于在一定范圍內(nèi)(事件視界內(nèi))連光也無法逃脫。一旦某個(gè)物體不幸靠近黑洞,那么它將被無情地吞噬。

  實(shí)際上,在銀河系中也存在著大量的黑洞。當(dāng)談及銀河系黑洞時(shí),想必大多數(shù)人都會(huì)條件反射地想到銀河系中央的超大質(zhì)量黑洞人馬座A*。這好比一頭棲息于銀河系中心區(qū)域的巨獸,質(zhì)量相當(dāng)于太陽的400萬倍,吞吐之間驚天動(dòng)地。以至于處于26000光年之外的我們也得以探究一二。

  除了這顆超大質(zhì)量黑洞,銀河系的大多數(shù)黑洞都是恒星型黑洞。這些黑洞是大質(zhì)量恒星超新星爆發(fā)的產(chǎn)物,質(zhì)量通常為太陽的十幾倍。在銀河系中,恒星型黑洞數(shù)量眾多,有些甚至就隱藏在太陽系周圍。

  目前為止,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的距離我們地球最近的黑洞是麒麟座V616(V616 Monocerotis),大約位于2800光年之外,質(zhì)量為太陽的9-13倍。

  其次便是天鵝座X-1(Cygnus X-1),距離地球約6000光年,質(zhì)量約為太陽的15倍。這是銀河系中一個(gè)著名的X射線源,是最早被廣泛承認(rèn)為黑洞的候選星體。對(duì)此,霍金還和基普·索恩打過賭,他認(rèn)為這不可能是黑洞。最終,在大量觀測(cè)數(shù)據(jù)面前,這場賭約以霍金認(rèn)輸而告終。

  再遠(yuǎn)一些的就是天鵝座V404(V404 Cygni)了。這顆距離地球約7800光年的黑洞的質(zhì)量約為太陽的12倍。早在18世紀(jì),天鵝座V404就被科學(xué)家所察覺了,只不過當(dāng)時(shí)它被認(rèn)為是一顆變星。直到1989年它的一次爆發(fā)再次引起了科學(xué)家的注意,隨后才被確認(rèn)是一顆恒星型黑洞。

  實(shí)際上,以上這三顆科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的離地球最近的黑洞有一個(gè)共同的特征——它們都處在一個(gè)雙星系統(tǒng)中,都被一顆伴星緊密環(huán)繞。這也正是科學(xué)家得以探測(cè)到它們的原因所在。這三顆黑洞正在不斷地吞噬著伴星的物質(zhì),大量物質(zhì)在還未落入事件視界內(nèi)時(shí)就被加熱到了超高溫度,于是爆發(fā)出驚人的X射線。

  NASA的錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡和歐航局的XMM-牛頓衛(wèi)星可以有效地捕捉到這些X射線,從而對(duì)宇宙中的黑洞進(jìn)行探測(cè)。

  那么問題來了,如果一顆恒星型黑洞沒有伴星,而是安安靜靜地做個(gè)美男子,科學(xué)家豈不是很難探測(cè)到它們的存在嗎?去年的一項(xiàng)研究曾首次發(fā)現(xiàn)一顆黑洞發(fā)射出微弱的無線電波,但卻無X射線爆發(fā)??茖W(xué)家在7200光年外發(fā)現(xiàn)這顆安靜的黑洞表明了銀河系中可能還隱藏著大量未被發(fā)現(xiàn)的黑洞。是否還有距離我們更近的黑洞潛伏在周圍呢?

  對(duì)于銀河系中黑洞的數(shù)量,科學(xué)家還可以基于超新星爆發(fā)的數(shù)量來進(jìn)行的估算。再考慮到銀河系尺寸,就可以進(jìn)一步測(cè)算出銀河系中黑洞分布的密度。據(jù)此估計(jì),在我們的銀河系中大約每隔125光年就存在一個(gè)黑洞。

  當(dāng)然,這只是一個(gè)非常粗略的估計(jì)。畢竟,黑洞可能因合并等原因而要稀缺得多,并且它們不見得會(huì)均勻地分布。然而,毋庸置疑的是,銀河系中還有大量的黑洞未被發(fā)現(xiàn)。

  一般情況下,這些黑洞并不會(huì)對(duì)地球造成威脅。如果我們倒霉地遇到了隱藏在附近的流浪黑洞,那就另當(dāng)別論了。

  霍金提出黑洞其實(shí)并不真實(shí)存在

  著名的理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金在論文預(yù)印本網(wǎng)站(arXiv)上傳了一篇有關(guān)黑洞性質(zhì)的論文?;艚鹪谡撐闹兄赋?,黑洞附近時(shí)空的量子漲落非常猛烈,因此可能不存在一個(gè)物質(zhì)落進(jìn)去就永遠(yuǎn)無法逃逸的清晰邊界,即所謂的事件視界(Event Horizon). 但是該論文沒有通過同行評(píng)議。

  位于天鵝座的一顆黑洞和伴星形成的雙星系統(tǒng)(示意圖)。這也是人類確認(rèn)的第一顆黑洞。

  在論文中,他強(qiáng)調(diào)了黑洞的“表觀視界”(Apparent Horizon)這一概念,落入黑洞的物體只是暫時(shí)被囚禁其中,等到“表觀視界”消失之后,被囚禁的物質(zhì)會(huì)以另一種無法辨認(rèn)的方式釋放出來。不過,霍金并沒有給出“表觀視界”怎樣消失的具體證明。即使霍金是對(duì)的,也只能說我們要改變傳統(tǒng)上對(duì)黑洞性質(zhì)的認(rèn)識(shí),這并不等于說黑洞就不存在了。

  黑洞的存在是毋庸置疑的,已經(jīng)被大量天文觀測(cè)所證實(shí)。恒星級(jí)質(zhì)量的黑洞是大質(zhì)量恒星燃盡其內(nèi)部的核燃料,在自身引力的作用下發(fā)生坍縮而成,這種黑洞的形成會(huì)伴隨有伽馬射線暴(GRB),這種天文現(xiàn)象經(jīng)常被運(yùn)行在太空的伽馬射望遠(yuǎn)鏡捕捉到,我們不時(shí)能從NASA看到這樣的新聞。在我們銀河系的中心,就有一顆質(zhì)量達(dá)太陽質(zhì)量440萬倍的大質(zhì)量的黑洞,這種黑洞的形成機(jī)制目前還沒有完全定論,估計(jì)是由中小質(zhì)量的黑洞合并而成。

  總體來看,霍金的這篇論文并不是嚴(yán)格意義上的學(xué)術(shù)論文,而是一場網(wǎng)絡(luò)學(xué)術(shù)研討會(huì)上的發(fā)言稿,只能算是一種學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。

  黑洞理論簡史

  1916年,在愛因斯坦“廣義相對(duì)論”剛剛提出后,德國天文學(xué)家史瓦西就得到了愛因斯坦場方程的第一個(gè)嚴(yán)格解,即史瓦西度規(guī)。從這個(gè)解中,我們可以得到一個(gè)推論,如果有一種力量能夠把太陽壓縮到一個(gè)半徑不到3公里的球,那么外部的觀測(cè)者就將再也無法看到陽光,這樣就形成了一顆黑洞。實(shí)際上,太陽的質(zhì)量還不夠大,自身的引力還不夠強(qiáng)大到把自己壓縮成黑洞。但在宇宙中,特別是早期宇宙,不乏能夠坍縮成黑洞的大質(zhì)量恒星。

  1939年,美國“原子彈之父”奧本海默及其合作者從廣義相對(duì)論出發(fā),給出了宇宙中最致密的中子星所能夠承受的質(zhì)量上限,約等于3.2個(gè)太陽質(zhì)量。一旦演化末期的恒星內(nèi)核的質(zhì)量超過這一極限,就沒有任何力量能夠阻止它自身引力坍縮,最終會(huì)形成一顆黑洞。

  后來,英國理論物理學(xué)家霍金和英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家彭羅斯提出了“奇性定理”,論證了黑洞中的物質(zhì)最終都會(huì)落向一個(gè)密度無窮大的“奇點(diǎn)”(Singularity)。“奇點(diǎn)”被“事件視界”所包圍,黑洞中的任何物質(zhì)都無法逃逸出。伙子的回答實(shí)在太巧妙了!

  黑洞到底存不存在

  但最近,美國物理學(xué)家勞拉·梅爾辛-霍頓發(fā)表了一篇文章,聲稱黑洞并不存在。雖然之前也有許多人這樣說過,例如英國物理學(xué)家霍金也曾說過“黑洞不存在”(不過他指的是字面意思)。但是梅爾辛-霍頓的研究極為特殊,看似無懈可擊。如果她是正確的話,那么物理學(xué)和天文學(xué)都得重新改寫。

  那么是否要把黑洞扔進(jìn)科學(xué)史的垃圾桶里?先別急著回答,首先我們來看看這位物理學(xué)家為什么認(rèn)為黑洞不存在。

  沒有黑洞,只有爆炸

  霍金在1974年發(fā)現(xiàn),盡管任何物質(zhì)都無法從黑洞里逃離出來,但黑洞會(huì)產(chǎn)生輻射。這種輻射被叫做霍金輻射,它是一種量子現(xiàn)象,出現(xiàn)的原因是真空中會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)一對(duì)“虛粒子”。這對(duì)虛粒子一個(gè)具有正能量,一個(gè)具有負(fù)能量,加起來為零。通常情況下它們出現(xiàn)后會(huì)彼此迅速湮滅掉,但是如果它們出現(xiàn)在黑洞的事件視界(即黑洞的表面)附近,那么其中的一個(gè)會(huì)掉進(jìn)黑洞,另一個(gè)可以逃離黑洞。雖然有一個(gè)粒子已經(jīng)掉到黑洞里面去了。但掉進(jìn)黑洞的粒子具有負(fù)能量,會(huì)減少黑洞的質(zhì)量。這樣時(shí)間一長,黑洞就會(huì)不停地產(chǎn)生粒子并向外輻射,并損失質(zhì)量。

  梅爾辛-霍頓的研究就是基于霍金輻射的。大多數(shù)的黑洞(即恒星級(jí)別的黑洞),是通過恒星的坍縮形成的。她認(rèn)為,當(dāng)恒星在晚年坍縮時(shí),霍金輻射就已經(jīng)出現(xiàn)了,這時(shí)會(huì)有負(fù)能量不斷注入恒星內(nèi)核,并減少它的質(zhì)量。這樣一來,負(fù)能量會(huì)產(chǎn)生一種排斥力,在恒星即將變成黑洞之前,恒星會(huì)因排斥力會(huì)停止坍縮,并反彈開來,這就根本就無法形成黑洞,所以她認(rèn)為黑洞不存在。

  可是,如果恒星級(jí)黑洞不存在,那天文學(xué)家成天觀測(cè)的是什么?

  是的,弗吉尼婭,真的有黑洞

  很顯然,黑洞是很難直接被觀測(cè)到的。另外,也無法通過霍金輻射直接看到黑洞,因?yàn)檫@種輻射太弱了。盡管如此,我們?nèi)钥梢哉业胶诙创嬖诘淖C據(jù)。如果它們不是黑洞,也至少看起來像黑洞。

  首先,被發(fā)現(xiàn)的黑洞很少是一個(gè)孤立系統(tǒng)。黑洞周圍常常有物質(zhì)(通常來自伴星)圍繞或落入其中,這樣物質(zhì)會(huì)在黑洞周圍形成吸積盤,就像不幸的船只被卷入漩渦中。物質(zhì)越靠近黑洞速度就越快,物質(zhì)之間會(huì)產(chǎn)生摩擦,生成熱量并產(chǎn)生X射線,并可被我們的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。另外,黑洞對(duì)伴星的影響也可以被觀測(cè)到。

  我們?cè)趺粗牢覀兯吹降木褪呛诙茨?天文學(xué)家可以對(duì)它周圍物質(zhì)(例如吸積盤和伴星)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析,推測(cè)出這個(gè)物體的質(zhì)量和體積,然后就可以使用廣義相對(duì)論來分析它是否足以形成一個(gè)黑洞。這個(gè)論證過程很難會(huì)有差錯(cuò),因?yàn)槲覀兊牧W(xué)理論和廣義相對(duì)論都經(jīng)受住了各種考驗(yàn),而且準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了各種現(xiàn)象。所以一位美國天體物理學(xué)家針對(duì)梅爾辛-霍頓的理論熱情洋溢地回復(fù)到:

  “黑洞絕對(duì)存在,我們通過觀測(cè)就能知曉。我們通過圍繞銀河系中心恒星的軌道,知道那里有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞;我們知道有雙黑洞系統(tǒng);我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過100萬個(gè)黑洞的紅外信號(hào);我們知道有恒星級(jí)黑洞和中級(jí)質(zhì)量黑洞;我們可以看見氣體云被黑洞的引力所撕碎;我們還可以獲取黑洞的照片(例如左面這張)。是的,弗吉尼婭,真的有黑洞。”(“弗吉尼婭”是一位8歲小女孩的名字,她曾寫信給《紐約太陽報(bào)》,詢問是否有圣誕老人?!都~約太陽報(bào)》回復(fù)中說:“是的,弗吉尼婭,真的有圣誕老人。”這句話成為一個(gè)句式,廣為流傳。)

  有如此強(qiáng)有力的觀測(cè)證據(jù)證明黑洞是存在的,那么梅爾辛-霍頓的研究是怎么回事?如果她的研究沒有問題,那么如何解釋這些觀測(cè)結(jié)果呢?她后來回復(fù)說,我們所觀測(cè)到的很像黑洞,但它們沒有事件視界和奇點(diǎn),我們應(yīng)該給它們換個(gè)名字,因?yàn)樗鼈儾皇呛诘摹5驗(yàn)樗f的這個(gè)東西與黑洞很難區(qū)分,所以目前還無法驗(yàn)證她的這種觀點(diǎn)。

  這個(gè)模型是錯(cuò)的

  如果觀測(cè)證據(jù)表明黑洞真的存在,那么梅爾辛-霍頓的模型是否在哪個(gè)地方出錯(cuò)了呢?其中一個(gè)嫌疑最大的地方就是負(fù)能量,這個(gè)可能是霍金輻射中最令人困惑的概念。當(dāng)負(fù)能量進(jìn)入黑洞內(nèi)部,會(huì)使得黑洞損失質(zhì)量。就是這么簡單嗎?負(fù)能量為什么會(huì)是負(fù)的呢?

  美國天體物理學(xué)家安德魯·漢密爾頓指出,梅爾辛-霍頓把黑洞內(nèi)的霍金輻射看成具有負(fù)能量的流體,具有排斥力,最終會(huì)使得黑洞反彈而不是形成奇點(diǎn),這個(gè)理論是錯(cuò)誤的。

  漢密爾頓認(rèn)為,霍金輻射只能在事件視界附近產(chǎn)生,如果不存在事件視界,那么就沒有霍金輻射。所以,當(dāng)恒星在晚年坍縮時(shí),霍金輻射就已經(jīng)出現(xiàn)了的說法是錯(cuò)誤的,因?yàn)闆]有事件視界的出現(xiàn)。另外,霍金輻射產(chǎn)生的粒子在黑洞內(nèi)部具有負(fù)能量,但是對(duì)于附近的觀察者來說這個(gè)粒子還是正的,不會(huì)對(duì)周圍產(chǎn)生排斥力,所以梅爾辛-霍頓所說的排斥力是不存在。因此,她的模型就有了問題。

  其他一些科學(xué)家也認(rèn)同漢密爾頓的觀點(diǎn)。另外還有人指出,霍金輻射作用十分微弱,根本沒有梅爾辛-霍頓所預(yù)期的那樣強(qiáng)。

  沒有黑洞,就沒有悖論

  另外,梅爾辛-霍頓的文章里提到了一個(gè)所謂的“火墻悖論”?;饓κ腔艚疠椛淞W釉谑录暯缟闲纬傻囊欢聣?,會(huì)阻止新的物質(zhì)向里面落入,但廣義相對(duì)論認(rèn)為,觀測(cè)者穿過事件視界時(shí)不會(huì)注意到有任何變化,時(shí)空是光滑的。這個(gè)問題被稱為“火墻悖論”,而且目前還沒有達(dá)成一致的解決方案。但霍頓認(rèn)為她的理論就是一種解決方案,因?yàn)楹诙锤静淮嬖?,那么就沒有什么火墻悖論了。

  但是火墻悖論的存在,并不意味著黑洞不存在。黑洞產(chǎn)生火墻是通過量子力學(xué)得出的結(jié)論,而這結(jié)果與廣義相對(duì)論相矛盾,所以這種悖論本質(zhì)上是廣義相對(duì)論與量子力學(xué)不相容的結(jié)果。我們可能需要一種能把廣義相對(duì)論與量子力學(xué)結(jié)合在一起的理論,才能真正解決火墻悖論。

  其他種類的黑洞

  另外一個(gè)問題,梅爾辛-霍頓的文章只考慮了恒星級(jí)黑洞,因?yàn)槠渌N類的黑洞可能由完全不同的機(jī)制形成的。

  理論上,黑洞的質(zhì)量可以是任何值。你可以把一個(gè)蘋果或任何其他的東西變?yōu)楹诙?,只要你能把它壓縮得足夠小。甚至微觀黑洞都可以存在,但目前還沒有觀測(cè)到微觀黑洞,而且如何形成這種小的黑洞也尚不知曉。

  另一面則是超大質(zhì)量黑洞,其質(zhì)量至少是10萬倍太陽質(zhì)量,大的可達(dá)百萬倍太陽質(zhì)量。超大質(zhì)量黑洞是個(gè)神秘事物,因?yàn)槲覀冞€不清楚它們是怎么形成的。事實(shí)上沒有哪個(gè)恒星大到能夠坍縮成超大質(zhì)量黑洞。

  觀測(cè)顯示,每一個(gè)星系中心都具有超大質(zhì)量黑洞,甚至最小的矮星系都有超大質(zhì)量黑洞。而且觀測(cè)顯示,它們不可能不是黑洞。例如,銀河系中有一個(gè)非常光亮及致密的無線電波源,叫做人馬座A*,有很多顆恒星以不同的軌道圍繞著它,我們據(jù)此可以計(jì)算出這里含有的物質(zhì)的質(zhì)量和體積。結(jié)果表明,人馬座A*這里存在的物質(zhì)具有很大的質(zhì)量,超過400萬倍太陽質(zhì)量,而且這些質(zhì)量被限制在4400萬千米直徑的球體內(nèi)(水星離太陽最近的距離約為4600萬千米)。根據(jù)廣義相對(duì)論,這里必然存在著一個(gè)黑洞。

  另一種黑洞則是處在恒星級(jí)黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間的黑洞,叫做中級(jí)質(zhì)量黑洞,質(zhì)量可達(dá)數(shù)百個(gè)太陽質(zhì)量或更多,天文學(xué)家還不清楚它們是怎么形成的。一些解釋認(rèn)為它們可能是多個(gè)恒星級(jí)黑洞合并形成的,或宇宙大爆炸之后早期物質(zhì)的坍縮。中級(jí)質(zhì)量黑洞的是否真的存在還有待證實(shí),不過目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些候選者。

  梅爾辛-霍頓的模型與上面的情況不相符。即使她是對(duì)的,恒星級(jí)黑洞真的不能形成,那么也許可以通過其他途徑來形成黑洞。

  總之,基于堆積如山的觀測(cè)證據(jù)證明黑洞是存在的,而一個(gè)新的理論的提出還不足以來把黑洞概念拋棄掉。不管怎樣,她的理論還是有價(jià)值的,值得物理學(xué)家和天文學(xué)家重新思考,雖然大多數(shù)的人并不是她理論的粉絲。


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