黑洞的“前世今生”

如果让你列举出几个最熟悉的科学家,估计爱因斯坦绝对是脱口而出的第一位;如果再让你说出几个最熟悉最感兴趣的科学术语,想必“黑洞”一词的出场率绝对是在前三。

黑洞的“前世今生”

爱因斯坦

实际上,黑洞这一宇宙天体,最早就是从广义相对论的框架中诞生的,也就是说它是被理论预言出的天体,而当时人们对黑洞是否真实存在还有很大争议,比如爱因斯坦本人,他最早是不承认这种怪异天体的。

黑洞的“前世今生”

人类首张黑洞照片

但就在2019年4月10号,晚上9点,人类历史上首张直接拍摄的黑洞照片被公布了,要知道这个意义非同小可,如果说此前数十年黑洞的存在证据都是科学家们间接获得的,那么这次就是真的找到了一个黑洞,并且对它照了个相。这无疑是人类天文史上一次重大的事件,也同时验证了百年前爱因斯坦提出的广义相对论的正确性,虽然此前所有关于广义相对论的验证无一例外都是成功的。

从历史上看,黑洞的萌芽应该是处于牛顿经典力学时代,英国天文学家米歇尔和法国物理学家都提到过一种被称为“暗星”的天体,或者说一种理论上可能存在天体。这种天体的引起极强,甚至光子都无法从它的表面逃离(这一句描述和今天很多科普文章对黑洞的描述大同小异)。

黑洞的“前世今生”

暗星

但我们要知道当时还处于牛顿力学体系,光被认为是由一个个小光子微粒组成,那么关于如何束缚光子,使其不能从暗星表面溜走,其思考计算过程和预测一块飞出去的石头轨迹并没有什么两样。在这一点上,现在的高中理科生也完全有能力将相关公式推导出来,为此拉普拉斯还特地在他的著作《天体力学》中,写上了“暗星”的相关介绍。

不过因后来的双缝实验被大多数物理学家所承认,导致当时科学界认为光是波,而非微粒光子。所以之前按照光微粒得到的“暗星”概念,也被大家很快遗忘。当然啦,现在我们知道光有波粒二象性(这一点还是的感谢爱因斯坦),因此从光子角度也是正确的。

黑洞的“前世今生”

波粒二象性

但这并不能使得当时的“暗星”概念再度复燃,因为需要加入相对论效应进去,毕竟当时在拉普拉斯等人的计算中,光子动能还是按照牛顿力学中的1/2mv^2进行处理的,而相对论动能公式和这个是不一致的。

黑洞的真正意义上的开始,是从爱因斯坦提出广义相对论后开始的,1915年广义相对论出世,1915年12月,德国物理学家史瓦西给出了其引力场方程的第一个精确解,它描述了一个球对称静止不自转物体的外部时空。

黑洞的“前世今生”

卡尔.史瓦西

在黑洞科普文章中出场率最高的就属史瓦西黑洞了,还有个被称为史瓦西半径的术语,大家可以理解为黑洞的半径,在这个距离上,光线一旦涉足,那么久永远不能再飞出去(这和前几段描述的暗星大同小异)。并且这个距离还有个名字,被称为事件视界(对于史瓦西黑洞来讲,史瓦西半径所勾勒出的表面就是它的事件视界)。

讲到这,我们会得出黑洞是不能发光的这一结论,那么这次人类拍摄的首次黑洞照片又是怎么回事?按理说不应该就是一团漆黑吗?那周围那一圈橘红色的光环又是啥呢?

黑洞的“前世今生”

那是黑洞周边的吸积盘散发出的光,虽然黑洞不发光,但这并不能阻止黑洞外部对外进行热辐射吧?由于黑洞强大的引力,被吸引聚集的物质将会被挤压摩擦生热,只要还没进入事件视界,那么热辐射就能传播到外界,当然了,这种高频率的电磁波一般肉眼是不可见,但我们可以利用仪器进行观察拍摄。

这次直接拍摄的黑洞是来自M87星系(该星系是位于室女座的一个椭圆星系),它和地球之间的距离大约在5500万光年,也就说是,一束光需要耗费至少5500万年,才能从M87传播到地球,因此这次拍摄到的黑洞实际上是5500万年前的景象。

此外这颗黑洞的质量也是相当惊人,大约是太阳质量的65亿倍,因此其事件视界的尺寸也是相当恐怖的,半径大约是海王星平均轨道半径的四倍多,所以这个黑洞完全可以把我们整个太阳系包进去(以八大行星为边界)。

而人类所使用的“相机”则是分布在世界各地的八台射电望远镜(分布地分别为:南极、智利、美国、墨西哥、西班牙等),利用相关技术可以等效出一台口径差不多是地球直径的望远镜,对这颗远在5500万光年之外的黑洞拍了一张照片(并且要注意一点,这个黑洞照片并不是立即得到的,而是经过了两年的时间才分析处理出来的,也就是说黑洞的拍摄时间是2017年四月份,直到今年2019年四月才正式发布)。

黑洞的“前世今生”

恒星演化

在理论上,我们说了黑洞的独特性质,那么在演化方面呢?它是凭空出现的吗?很显然,凭空出现是不可能的(量子力学先不谈),黑洞的出现一般都是从恒星演化而来。而这个演化的关键就在于恒星的质量,恒星质量越大,那么演化后的天体就越恐怖。

以我们的太阳为例,它在衰老死亡后最终将变为白矮星(因为它的核心质量小于1.44倍太阳质量),而对于那些核心质量在1.44倍到3倍太阳质量之间的恒星,他们的衰老死亡后将变为中子星,质量再大的恒星就将成为黑洞。

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霍金辐射

最后还有一点没说,那就是著名的霍金辐射,是霍金教授在黑洞研究中最重要的成果之一。在之前的讲述中,我们似乎把黑洞描述成了一个一毛不拔的铁公鸡,但实际上并不是这样。黑洞的只是吝啬,你要它主要吐东西出来是不可能的,但在量子力学中,却有办法从外部悄无声息的偷点东西出来。

量子涨落在空间各处都机会发生,如果恰好发生在黑洞附近呢?虚粒子对在形成后,还未来得及湮灭,如果其中的一个负能粒子被黑洞吸入,那么另一个正能粒子就将逃离黑洞(这个过程被称为霍金辐射)。而负能粒子进入黑洞后的体现,在外部观察中,就是黑洞的质量减少了,毕竟黑洞的无毛定理已经规定:对于一个黑洞,我们只能知晓它的质量、电荷和角动量等三个信息。

黑洞的“前世今生”

黑洞无毛定理

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