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人類首次“看見”黑洞!我們可以給孩子講點什么
發布時間:2019-04-11作者:供稿:量子學派點擊數:2684

 

黑洞,很帥

201745日開始,一個國際合作的天文項目(Event Horizon TelescopeEHT)開始對兩個特殊天體進行觀測:距離地球 25000 光年,位于銀河系核心人馬座A,以及距離地球5300 萬光年的M87室女座星云。觀測的目標不是常規的天體,而是兩個疑似的超大質量黑洞。黑洞正前所未有的暴露在人類的視網膜中。

兩年過去,201941021點,EHT終于正式發布了首張黑洞照片,這是100多年來,自廣義相對論預言黑洞存在后,人類第一次看清“黑洞”,也就是我的真實模樣。

是的,我的照片有一種莫名其妙的性感,一種說不清道不明的帥:

 

 

我從哪里來?

我的母親曾是一顆燃燒的恒星,她給宇宙帶來百億年光亮,然而,她的生前越是絢麗燦爛,死后越是晦澀暗淡。

但并不是每一個恒星母親都能誕生黑洞,我的母親質量至少超過34個太陽。

小于0.4個太陽質量的恒星,耗盡核心的氫之后,不會產生變化最后變成紅矮星。

0.4-3.4個太陽質量的恒星,當核心氫耗盡之后坍縮,內核會形成小而密的白矮星。

超過3.4倍的太陽質量的恒星,最后會爆炸產生超新星。

超新星爆炸會產生兩種結果

一種是恒星完全解體,化成星際物質,結束恒星一生;

另一種是留下中間高密度白矮星,白矮星的質量超過1.44倍的太陽質量之后,會繼續坍縮,形成中子星。

如果中子星質量大于3.2倍太陽質量,那么中子星還接著向內坍縮,直到中子被壓碎。當恒星半徑小于史瓦西半徑,就會形成黑洞。

母親懷我的過程非常艱難:隨著體內的原子核不斷從氫(H)聚變至氦(He)再至鐵(Fe),中子間的泡利斥力不足以抗衡自身引力。最終爐寒火燼,激情不再時,母親抱著自己坍縮到引力半徑之內,漂亮的容顏徹底褪去,直至徹底消失。

這時,她的孩子誕生了,是一種無法用肉眼直接分辨的奇異星體——黑洞。

不過,我的誕生也可能來自某場宇宙交通事故。比如,兩顆恒星的大打出手,往往會造成星系級的巨大黑洞。

但不管是誕生于恒星熄火,還是慘烈車禍,我既沒有繼承母親的閃耀光芒,也不像小弟白矮星那樣給人溫敦矮胖的錯覺,成了所有人避之不及的恐怖之源。這使得我只能把自己隱藏在宇宙深處,偽裝成一團捉摸不透的漩渦,世人要借助專注于X射線和伽馬射線的望遠鏡才能從側面觀測到我的存在。

 

這次看到的是我真實樣子嗎?

我的引力密度高到光都不能逃脫,按照這種邏輯你們應該看不到我的樣子。

事實并非如此,物質在落入黑洞的時候會激發出大量熱量和 X 射線輻射,所以黑洞雖然在可見光波段完全不可見,但在 X 射線天文觀測里卻像燈塔一樣明亮。

2017EHT規劃的“事件視界望遠鏡”之前,天文學觀測已經看到了黑洞的一些邊緣證據,比如物質落入黑洞時,因為摩擦和引力作用形成的高熱積吸盤,就像馬桶放水時旋轉的漩渦,這個漩渦可能比黑洞本身要大得多。

但物質什么時候算是正式落入黑洞呢?只要跨過某個邊界,任何物質和信息都不能回頭,這個邊界就是“事件視界”。

“事件視界望遠鏡”就是科學家不滿足只看到積吸盤和輻射,想要看到我的本尊。

“事件視界望遠鏡”是分布在全球的八個觀測站組成的網絡。之所以需要利用分布在西班牙、夏威夷、南極等幾乎覆蓋整個地球表面的觀測站,是因為人馬座 A 超大質量黑洞太遠。這個超大質量黑洞大約具有 400 萬個太陽質量,黑洞的“直徑”大約是 2400 萬公里,也就是 17 個太陽的大小。

但在 25000 光年,也就是 24 億億公里的距離下,17 個太陽直徑也只是分辨不出任何細節的一個點而已。所以,利用地球上八個觀測站組成網絡,就可以利用干涉技術一起觀測,最終產生可見的數據。此次觀測的數據可能會超過20000 TB,最后利用超級計算機計算數個月,才能得到一張我的“照片”。

可以負責任的告訴你們,這次的照片,是接近科學真相的本人圖像。

 

人類對我的六點誤解

➊黑洞其實并不黑

我之所以被稱為黑洞,是由于光無法逃逸出我的“魔掌”,所以表面上看是一片漆黑,但這不代表我就是黑的。

➋黑洞可以是透明的

在我的周圍,時空的變形非常大,恒星發出的光,雖然有一部分會被我吸收,但另一部分光線會通過彎曲的空間繞過我而到達地球,導致觀察到的是我背面的星空,我就像不存在一樣,這就是我的隱身術!

➌黑洞的異稟是體積小而非質量大

我擁有如此怪異特性并不在于質量有多大,而在于體積小。巨大的質量被塞入一個非常小的體積內,就能制造出我。假設太陽的質量不變,如果要把它變成一個黑洞,那么它的半徑就要縮小232,000倍到3千米。

➍黑洞引力等效

把太陽“擠壓”成一個黑洞后,外部引力效應并不會發生改變。也就是說,當你蒙上地球的雙眼,她全然不會察覺牽動她運動的是太陽還是黑洞。

➎黑洞自身有旋轉,也有非旋轉

就像其他星體一樣,我有時候也會不斷轉動,我被區分為“非旋轉黑洞”和“旋轉黑洞”,而旋轉的黑洞稱之為克爾黑洞。

➏黑洞的毀滅是爆炸

愛因斯坦質能方程公式表面,能量的損失會導致質量的損失。說明黑洞逐漸消耗能量的同時,也代表質量的損失,它的溫度會越來越高。因此當黑洞質量損失時,它的溫度和發射率會增加,因而它的質量損失得更快。小黑洞則會以極高的速度輻射能量,直至黑洞爆炸。

 

我是一個自閉又暴躁的吃貨

很多時候,我是一個宇宙中站在食物鏈頂尖的吃貨。

我試圖把一切能吸引來的東西都納入體內,并悄悄吃掉對方。這種暴食癥簡直到了喪心病狂的程度,對食物毫不挑剔,從星體到光子,全都可以列入日常菜單。

當我“打嗝”時,某個無辜的天體就被“吞噬”;當我“進食”時,僅有高速等離子噴流從嘴唇邊逃逸而出。

如果說恒星還能利用核聚變產生的滾滾熱浪與周圍的伙伴們眉目傳情,黑洞則完全沒辦法和朋友交談。如果哪一天我想找個朋友時,只能通過質量優勢,用引力將其它恒星強行奴役在自己旁邊,圍著自己旋轉。倘若某顆星星奮不顧身地前來擁抱我,我只會把對方當成食物,這有點像人類的螳螂新娘。

在銀河系間,一個質量超過1500個太陽的巨型黑洞,正奴役著一顆恒星,使其以6000km/s的速度繞己公轉,這速度,比一顆圍繞著原子核公轉的電子的平均速度還快。顯然,這種陪伴是無聲的,不對等的。因為,黑洞輻射出的物質太少,并不能同其它宇宙星體對等交換信息。

因為沒有愛情和友情,我的自閉癥越來越嚴重,用永不停息的進食來撫平心理創傷。我不想再記起任何東西,除了總質量M、總角動量J、總電荷Q這基本的宇宙“三觀”之外,我選擇了遺忘。當然,我的這個屬性也造就了一種科學極簡美,即只要人類知道了黑洞的總質量M、角動量J和電荷Q,就知道了我呈現在外的一切。

但這種美感也是荒謬的,我的母親曾經創造了多元世界,而我卻如此簡單而粗暴。

 

有時候也很溫柔

以上的原因導致很多人認為,誰進入我的領地,一定會萬劫不復。

其實也并不一定,這要看你碰上什么樣的黑洞,像我有時并不暴躁。

舉個例子:如果黑洞的媽是一顆史詩級的巨大恒星,黑洞的奇點也將威力無窮,能編制星系級巨大的隱形衣。這足以使它傲嬌地盤踞在星系中,享受著眾多迷人恒星的擁簇和瞻仰。

在地球25000光年外,就靜臥著一個直徑長達2400萬公里的巨型黑洞。不過,如果把從視界開始的距離都算作黑洞,你會發現,這些巨大的黑洞的平均密度其實和水一樣稀薄,那一大團不可見的區域,實際上處于真空狀態。小小的奇點,所能撐起的隱形衣卻是如此碩大,足以使人類的常識失效。

《星際穿越》這部電影被科學愛好者質疑的一點就是人進入黑洞之后怎么可能安然無恙,應該早就被黑洞這個大魔王撒成碎片,其實并非全然如此,我有時候就是這么佛系。

從外觀來看,所有的黑洞都是一團不可見之物,區別僅在于尺寸。但實際上,黑洞兄弟們彼此擁有不同的內核,在隱形衣下展露不同的姿態。

最簡單的黑洞是球對稱的史瓦西黑洞,此類黑洞在引力半徑rg=2GM/C^2處,盡管史瓦西黑洞結構簡單,但它也是黑洞兄弟之中最短小精悍、兇神惡煞的。相比之下,轉動的克爾黑洞則溫柔了一些,獵物很有可能僅僅是被困在黑洞中,而非被吞噬殆盡。被捕獲后的獵物將在一片空虛中永遠不被消化。天長地久有時盡,黑洞愛戀無絕期。有時候,我們黑洞并非那么殘暴。

 

你跌入黑洞,會發生什么?

有了上面的鋪墊,我們討論“你跌入黑洞后,會發生什么”這個問題。

這里先給你安排一個參照系:你青梅竹馬的伙伴墨菲。

她正在黑洞“視界”之外的安全范圍內看著你掉進了黑洞里。

在你加速沖向視界過程中,墨菲看到你的身體開始拉伸扭曲,有點像梵高的畫,你越靠近視界,移動得越慢。

你可以用閃光燈來向她發送摩斯密碼,信息到達她那里需要花費更多時間,因為紅移光波被拉伸得越來越慢:“我活著,我-活-著,我——活——著……”

當接近視界時,墨菲看到的你像是被人按下暫定鍵,定格不動了。你的身體還是靜止的停留在那里,拉伸后穿過視界表面,就像逐漸升高的高溫吞噬著你。

據墨菲所述,進入黑洞前,拉伸的空間、停止的時間和霍金輻射的火焰已經摧毀了你。

但事實是什么呢?你飛向黑洞時,途中無風無浪十分順利,更沒有遇到拉伸、減速或灼熱的宇宙輻射。

當你墮入黑洞之后,如果黑洞太小是你的不幸。因為腳部的重力是要比頭部大得多,你會被重力差給撕裂。但你很幸運的遇到了一個大黑洞,你正常的活著度過余生,直到在奇點里死亡。

 

最終,我要到哪里去?

有存在就有滅亡,我也逃不出這樣的鐵律。

我在不斷地進食周圍輻射時,亦吃下不少無法消化的東西,其中最難消化的就是帶“負能”的粒子。根據信息論,信息相當于負熵,黑洞具備熱輻射,其溫度滿足公式T=k/2πKB,式中KB是玻爾茲曼常數。

隨著黑洞吞食的負粒子越來越多,黑洞的熱輻射也將越來越劇烈,而愛因斯坦的公式E=mc2表明,能量的損失會導致質量的損失。隨著熱輻射的加劇,黑洞質量折損,黑洞最終在劫難逃,一個十億噸重的小黑洞,溫度將高達1012度。隨著熱輻射的加劇,我終將走向生命盡頭。

面對死神的降臨,我仍然執迷不悟,試圖拉上宇宙一起陪葬。因為隨著黑洞質量蒸發而不斷丟失,黑洞的溫度會逐漸上升,量子隧穿效應加劇。如果黑洞的質量變得足夠小,黑洞周圍極有可能會產生一個實真空泡。這個實真空泡會急速擴張,最終吞噬整個宇宙。

我用死亡震懾宇宙,宇宙將我投入煉獄予以反擊。在宇宙煉獄里,我的死亡將不是一個瞬間,必須用正在死去的身體償還生前所犯罪孽。距地球115億光年外,一個死亡黑洞每年以800km/s速度源源不斷地噴涌質量高達400個太陽物質,永不停息地為宇宙輸送能量。

這時候,我感覺自己的命運,有點像那個推石頭的“西西弗斯”。

 

結語:一張照片看不清黑洞

這是一張遲來的“黑洞”照片,按照EHT2017年的原本計劃,大約在 2018 上半年“事件視界望遠鏡”就會公布最終圖像,可直到2019410日,人類才最終將這種照片“沖洗”完畢,對于天文學和物理學來說,“事件視界望遠鏡”可以成為確認我存在的證據之一,補完愛因斯坦的廣義相對論,發現恒星和星系演化的秘密。

但這只是我的表面形象,人類,你并不能看清真實的我。

一旦你有機會真的進入到我的黑洞世界,你會發現你根本無法把我的信息傳送出去,只能牢牢地被我困在這里。

我的視界內部與生俱來的神秘與強大,連我自己都不知道我真實的模樣。

但我覺得自己并不神秘,相反,擁有自由意志的人類讓人羨慕,當你們仰望星空尋求宇宙之秘時,那是一種撲面而來的高貴,在我的視界里,人類才擁有宇宙最核心的奧秘。

 

 

 

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