黑洞會吞噬宇宙嗎?相對論提出幾乎所有的物質都會消失在黑洞

更新時間:2022-03-21 11:15:14 所屬欄目:黑洞 作者:金盈玫

摘要:我們在晴朗的夜晚遙望星空時,那些亮晶晶的小星星總能激發我們無窮無盡的遐想??墒?,那些我們司空見慣的小星星看起來沒有什么個性,它們存在的唯一證明只是它們的明亮。然而還有不發出亮光的星體,它們的意義更為重大。美國宇航局曾經發射了高能的天文觀測系統,研究太空中看不見的光線。在發回的X射

我們在晴朗的夜晚遙望星空時,那些亮晶晶的小星星總能激發我們無窮無盡的遐想??墒?,那些我們司空見慣的小星星看起來沒有什么個性,它們存在的唯一證明只是它們的明亮。然而還有不發出亮光的星體,它們的意義更為重大。美國宇航局曾經發射了高能的天文觀測系統,研究太空中看不見的光線。

在發回的X射線宇宙照片中,最驚人的一幕是那些從前認為「消失」了的星體依舊放出強烈的宇宙射線,遠甚于太陽這樣的恆星體。這證明了長久以來一個怪異的設想:宇宙中存在著看不見的「黑洞」。

這種「怪物」比森林中的老虎更兇勐,人類用眼睛是看不到它的,它就像隨影附行的「魔鬼」存在于宇宙,找不到它的蹤跡。不管是什么東西,一旦進入它的勢力范圍,都會被吞吃掉,連骨頭也不吐出來。而且它還穿上了隱身衣,誰也看不見它,即使你用強光照射,用雷達探測,仍然找不到它的蹤跡。這種「怪獸」就是愛因斯坦廣義相對論預言的一種奇特天體——黑洞。

黑洞的性質不能用常理的觀念思考,但是它的原理大家都能接受。黑洞形成的必要條件就是:一個巨大的物體,集中在一個極小的范圍。晚期的恆星恰巧具備了這樣的條件。當恆星能量衰竭時,高溫的火焰不能抵消自身的重力,逐漸向內聚合,原子收縮,恆星進入白矮星階段,

體積變小,亮度驚人。白矮星進一步內聚,最后突變成一個點,整個過程不到1秒。在我們看來恆星消失了,一個黑洞誕生了。以太陽為例:如果太陽的半徑從現在的70萬公里收縮到3公里,太陽就變成一顆超高密度的天體。雖然其質量不變,仍為兩千億億億噸,但其半徑距離卻縮小了20多萬倍,此時每秒30萬公里的光線也無法從太陽表面射出,這樣太陽就變成了一個黑洞。一個像太陽這樣大的恆星自身引力如此之大,可能最終收縮成一個高爾夫球或桌球,甚至「什么都沒有」。由于無限大的密度,崩坍了的星體具有不可思議的引力,附近的物質都可能被吸進去,甚至光線都不能逃脫──這是看不見它的原因。這個深不可測的洞,就被稱為「黑洞」。

如果將宇宙空間想像成一張平鋪的懸空的大紙,具有彈性且不易破,其四角用線拉住,那么任何放在上面的物體都會使之產生凹痕,物體愈重,凹痕就愈深。如果一個物體重量不變,體積越小,凹痕越深。假如將地球放在上面,那只有淺淺的凹痕,太陽會比地球的凹痕稍深一些,像黑洞這樣既小又重的超高密天體就會帶來極深極深的凹洞。

科學家們相信大多數星系的中心都有黑洞,包括我們身在其中的銀河系。根據相對論,90%的宇宙都消失在黑洞里。所以一種令人吃驚的說法是:「無限的黑洞乃是宇宙的本身」。

宇宙中不僅有幾個太陽質量的恆星級黑洞,還有更大的黑洞。我們知道地球與其他行星在繞太陽公轉,而太陽又帶著九大行星在銀河系公轉。我們知道,在銀河系以外還有上千億個銀河系的「兄弟姐妹」,

它們被稱為星系,在其他星系中還會有巨大的黑洞。除了巨型黑洞外,還有微型黑洞。人們常說明察秋毫,秋天動物新生的細毛已經是十分細小了,其實微型黑洞比起秋毫還要小得多,它只有一萬億分之一毫米,相當于最小的氫原子中的原子核大小,連電子顯微鏡也無法找到,然而它卻比一座大山還重。

黑洞里面有什么?只能從理論上推測。假如一位勇敢的人駕駛飛船奔向黑洞,他感覺到的第一件事就是無情的引力。從窗口望出去是周圍星光襯托下一個平底鍋似的圓盤,走得更近了,遠方似乎寬廣的「地平線」發出X光,包圍著深不可測的黑洞。光線在附近扭曲,形成一個光環。這時宇宙員要返航已來不及了,引力吸著他向黑洞中心飛去,頭和腳之間巨大的引力差使他如同坐在刑具臺上,遠在「地平線」以外3000英里,引力就把他撕碎了。

黑洞有「隱身術」,人們無法直接觀察到它,連科學家們都只能對它內部結構提出各種猜想。那么,黑洞是怎么把自己隱藏起來的呢?答案就是——彎曲的空間。我們都知道,光是沿直線傳播的,這是一個最基本的常識??墒歉鶕V義相對論,空間會在引力場作用下彎曲。這時候,光雖然仍然沿任意兩點間的最短距離傳播,但走的已經不是直線,而是曲線。形象地講,好像光本來是要走直線的,只不過強大的引力把它拉得偏離了原來的方向。

在地球上,由于引力場作用很小,這種彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍,空間的這種變形非常大。這樣,即使是被黑洞擋著的恆星發出的光,雖然有一部分會落入黑洞中消失,可另一部分光線會通過彎曲的空間后繞過黑洞而到達地球。所以,我們可以毫不費力地觀察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一樣,這就是黑洞的隱身術。

更有趣的是,有些恆星不僅是朝著地球發出的光能直接到達地球,它朝其他方向發射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球。這樣我們不僅能看見這顆恆星的「臉」,還同時看到它的側面、甚至后背!

那么,天文學家怎么在茫茫的太空中去「捕捉」這個「怪獸」呢?天文學家想出一個巧妙的辦法,那就是在黑洞「伸出黑手」去捕捉和吞食其他星星時,從黑洞四周的「蛛絲馬跡」中抓住這雙黑手,從而「捕捉住」這一「怪獸」。

這有點像暴雨后洪水泛濫,淹沒了田野街道,人們已難以直接看到哪里有危險的深穴,卻可以從湍急的旋渦和沖入旋渦的流水聲響來進行判斷。

人類為探索黑洞付出了不懈努力。20世紀90年代中期,美國天文學家用哈勃望遠鏡對準了名為M87的星系,

在這個星系中心發現一個盤狀物質,其旋轉速度高達每小時160萬公里,盤中心的范圍相當小,從盤的旋轉速度可以推算出中心的引力和質量,其質量高達30億顆太陽的質量。在如此小的范圍內有這樣大的質量,唯一的解釋只能是黑洞。進一步的研究表明,這個宇宙「巨獸」已吞食了20億顆相當于太陽質量的恆星。

最為成功的一次是在肯亞發射的第一顆X射線衛星觀測系統,被稱作「烏胡魯」,

這個裝置在發射后運行3個月就感到

座的異常。天鵝座X—1星發出的「無線電波」使得人們可以準確地測定它的位置。X—1星比太陽大20倍,離地球8000光年。研究表明這顆亮星的軌道發生了改變,原因在于它的看不見的鄰居——一個有太陽5至10倍大的黑洞圍繞X—1,旋轉的周期是5天,它們之間的距離是1300萬英里。這是人類確定的最早的一顆黑洞體。

天文學家對黑洞的搜尋又取得了新的突破。美國的科學家借助于2004年發射的「錢德拉」X射線探測衛星,

在名為M82的星系中發現了一個質量相當于500個太陽的中型黑洞,這樣大的新型黑洞還是首次發現。過去人類發現的黑洞不是很小,就是異常大。美國哈佛—史密森天體物理中心的天文學家安德烈婭·普雷斯維奇指出,「錢德拉」X射線探測衛星是在離M82星系600光年遠的「極明亮」天體處發現這個新型天體的。這個極明亮天體比我們銀河系任何一個X射線源都要亮100倍以上,它在3個月的時間內,亮度增加了6倍,而且其X射線強度以10分鐘左右的周期閃爍、變亮、變暗、再變亮……不是說黑洞不會發出任何射線嗎?到底這個極明亮的X射線天體與新型黑洞是什么關系呢?

原來黑洞有極強的引力,會吞食周圍大量的宇宙物質,包括氣體、塵埃等。這些氣體、塵埃在黑洞強大引力的吸引下,以極高的宇宙速度繞黑洞旋轉,形成扁平的旋轉盤。在旋轉過程中,這些高速氣體分子加速聚集,相互激烈碰撞,產生高達幾百萬攝氏度的高溫,并發射強大的X射線,所以會出現一個極明亮的X射線天體。從這個X射線天體就可以推測出在這個扁平旋轉盤的中心有一個中型黑洞,10分鐘正是高速繞黑洞旋轉的熾熱氣體的公轉周期。

那么這種新型的中型黑洞又是怎樣形成的呢?它在那里又在「導演」什么有聲有色的「話劇」呢?有的天文學家認為可能是多顆恆星在晚年分別坍縮成小型黑洞后,再合併成相當于500個太陽質量的中型黑洞。但是這種可能性較小,因為恆星之間距離甚遠,上百顆恆星隨機地合併在一起不太可能,估計中型黑洞的形成會有新的機制。值得注意的是,新發現的這個中型黑洞的周圍廣大區域正是一個眾多恆星迅速誕生的地方。筆者認為,中型黑洞還可能「導演」新的太陽出世。

現在,天文學家利用光學望遠鏡和X射線觀察裝置密切地注視著幾十個「雙子」星座,它們的特別之處在于兩個恆星大小相等,誰都不想俘獲誰,因而互為軌道運轉。如果其中一顆星發生不規則的軌道變化,亮度降低或消失,有可能就是因為附近產生了黑洞。

尋找「黑洞」的同時,天文學家還對黑洞的形成時間展開了爭論。以往不少天文學家主張先有黑洞,然后在它的強大引力下,吸引越來越多的恆星和其他宇宙物質圍繞它旋轉,才形成星系,所以黑洞曾被稱為星系的締造者。而哈勃空間望遠鏡新的觀測圖像表明,黑洞和星系可能是同時形成的。其后,黑洞不斷吞食星系中心的恆星與其他宇宙物質,而變成更大的黑洞,這有點像森林中的小老虎靠吞食其他小動物而長成大老虎一樣。

宇宙真的會被黑洞吞噬嗎?看來,只有解開這個宇宙最大的秘密,我們才能回答。對人類本來就神秘的黑洞變得更為光怪陸離了?!负诙础篃o疑是本世紀最具有挑戰性、也最讓人激動的天文學說之一。

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