宇宙中真的存在黑洞吗?它是怎样形成的?

发布网友发布时间：2022-07-27 17:36

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热心网友时间：2023-10-28 08:55

200多年前，伟大的科学家牛顿正在苹果树下休息，忽然，一个熟透了的苹果掉在他身旁，激发了他的灵感，促使他发现了地球的引力。对天体来说，质量大的天体，它的引力也大。如月球的质量比地球小得多，因此月球的引力也小。一个在地球上重75公斤的人登上月球，他的重量变成12.5公斤了。还有这么一个特殊的天体，它的质量比太阳还要大得多，所以它的引力也超常的巨大，无论什么物体只要靠近它，就会被它吞没，就连速度很快的光线也无法逃脱，被它紧紧地吸住，不能再出来。正因为光线也会被它吞没，所以我们就看不见这个特殊的天体，天文学家就把它叫做“黑洞”。一切物体只要被它吸进去就再也出不来，就像掉进无底洞一样，只进不出。实际上黑洞并不是一个实在的星球，而是一个天区，黑洞的物质都集中在这个天区的中心，它有极强的引力。被吸进去的外来物体就像水流入下水道那样，成螺旋状地被卷进去。由于摩擦生热，物体进入黑洞后，黑洞的温度可升高到几百万度。另外，物体在进入黑洞永远消失之前，会发射出粒子束，如X射线。科学家们用仪器去测试这种X射线，从而探寻黑洞的存在。究竟黑洞是怎么形成的呢？我们知道，天体受到两种力的约束，一是向内的引力，一是向外的压力。如果压力大于引力，天体就膨胀。反之，引力大于压力，天体就会坍缩。绝大多数的恒星是由氢和氦组成的，而氢是核反应所需要的重要元素。恒星内部不停地进行核聚变反应，产生向外膨胀的压力。一颗比太阳大的恒星，核聚变反应所产生的压力能与引力相抗衡。一旦恒星内部进行核反应的材料用完后，巨大的引力会使恒星向内坍缩，就像房屋断了横梁和支柱后，会向中心坍去。天体坍缩时，体积迅速缩小，而它的密度却迅速增大，这时所形成的特殊天体就是黑洞。黑洞原先是通过严格的物理规律预言出来的。但是，最近美国宇航局所属的戈达德空间飞行中心的科学家分析了天文卫星从黑洞的X射线所获得的数据后，发现NGC3516星系中心近旁铁原子的X射线光谱揭示，有物质以每秒2917公里的速度，被吸入星系内不见了。科学家指出，这是人们第一次观测到黑洞吸进物质的直接证据。神秘的黑洞一直是科学家十分关注的热点，还有许多未解之谜。所谓黑洞，是指一类引力非常之强的特殊天体，它能吸收所有靠近它的物质，甚至连光也无法逃脱。黑洞只吸收物质，不吐出物质。也就是说黑洞是“黑”的，人们无法直接“看”到它。尽管如此，大量的观测证据表明，宇宙中存在许多这样奇妙的天体。它的原身是超过大约3个太阳质量的普通天体，当它的核能量消耗完时，这一天体将变成一个黑洞。上世纪60年代，经过一些物理学家的研究，人们发现，只要3个物理量（质量、角动量和电荷）就能描述一个不随时间变化的黑洞。换句话说，对于一个黑洞，人们所能知道的只有这3个物理量。在黑洞的形成过程中，描述形成这个黑洞的物质的所有其他特性的信息都丢失了。黑洞的这一特性被美国的物理学家J．惠勒称为黑洞*定理。因为经典黑洞只进不出，所以黑洞一旦形成，将通过吸收外部物质而变得越来越大，永远不会消失。在黑洞形成过程中，物质信息丢失对于这个经典黑洞而言，在物理学上是不成问题的，人们只要假定形成这个黑洞的物质的所有其他信息（除了质量、角动量和电荷）仍然存在黑洞内部即可，因为人们无法探知黑洞内的任何信息。这个故事自上世纪70年代中期起发生了本质的变化。1974年，霍金通过研究黑洞外的量子力学，发现黑洞不仅能够吸收黑洞外的物质，而且能以热辐射的形式向外“吐出”物质。这一辐射是一量子力学现象，被称为霍金蒸发。霍金的发现立即引起了整个物理学界的轰动。因为根据霍金的蒸发理论，黑洞在向外蒸发物质的同时，温度也随之升高。这样黑洞不断地向外蒸发物质，它的温度越来越高，蒸发越来越快，最后将以大爆炸的形式向外吐出所有的物质而结束它的生命。“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“*”的，等一会儿我们会讲到。我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过，这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。