黑洞是什么,它又是怎样形成的,一起来认识下吧

  • 2019年06月03日 07:10
  • 来源:天文在线
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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。

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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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(奇点),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。

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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(MECOs),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。

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相对论之前的黑洞

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。

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(但密度相同)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。

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”。

相对论中的黑洞

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)。

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:

rs = 2 GM/ c 2

G是重力常数,M是质量,c是光速。

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。

黑洞的性质

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。

黑洞常被解释为物体或质量“落入”其中。

Y看着X掉进黑洞

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

在rs达到无穷大,Y观察X红移的光(此时X变得不可见——但不知何故我们仍然能看到它们的时钟。理论物理学是不是很伟大?)

理论上,X可以感知到明显的变化,尽管一旦它穿过rs,它就不可能逃脱黑洞的引力。(即使是光也无法逃离视界。)

黑洞理论的发展

在20世纪20年代,物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡推断,任何质量超过1.44倍太阳质量的恒星(Chadrasekhar极限)在广义相对论下必然会坍缩。物理学家阿瑟·爱丁顿相信某些性质可以防止坍塌。从不同的角度看,他们都是对的。

罗伯特·奥本海默在1939年预测,一颗超大质量恒星可能会坍缩,从而在宇宙中形成一颗“冰冻恒星”,而不仅仅是在数学上。坍缩似乎会减慢,因为实际上在它穿过rs点的时候会冻结。恒星发出的光在rs点会经历一次强烈的红移。

不幸的是,许多物理学家认为这只是施瓦茨柴尔德度规高度对称性质的一个特征,他们认为在自然界中这样的坍缩实际上不会由于不对称而发生。

直到1967年,也就是rs被发现将近50年后,物理学家斯蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯才证明,黑洞不仅是广义相对论的直接结果,而且是人类无法阻止的坍塌。脉冲星的发现支持了这一理论,不久之后,物理学家约翰·惠勒在1967年12月29日的一次演讲中为这一现象创造了“黑洞”一词。

随后的工作包括霍金辐射的发现:黑洞可以发射辐射。

关于黑洞的猜测

黑洞是一个充满挑战的领域,吸引了不少想要“探险”的理论家和实验者。今天,尽管黑洞的确切性质仍有疑问,但人们几乎一致认为黑洞是存在的。有些人认为落入黑洞的物质可能会在宇宙的其他地方重新出现,就像虫洞一样。

黑洞理论的一个重要补充是霍金辐射,由英国物理学家斯蒂芬·霍金于1974年提出。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. Andrew Zimmerman Jones- thoughtco

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