关于宇宙黑洞(转帖)

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日本航空宇宙开发机构(JAXA)近日宣布,他们通过SUBARU望远镜成功地观测到了一个巨大的黑洞,该黑洞距离地球约127亿光年,大致位于巨蟹座方向。这一黑洞是日本天文学家发现的11个黑洞中距离地球最为遥远的一颗,也是最大的一颗,大小约为太阳的20亿倍。日本天文学家表示,根据观测,在宇宙诞生后大约10亿年的时间里,这个巨大的黑洞就也已经随之诞生了。而根据目前的天文学理论,这一点是根本无法解释的。
日本天文学家称,黑洞在天文学领域一直显得非常神秘。根据广义相对论理论,引力场可以使得时空发生弯曲,当恒星的体积很大时,它的引力场对时空几乎没什么影响,从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小,它对周围的时空弯曲作用就越大,向某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。当恒星的半径小到一个特定值(天文学上称为“史瓦西半径”)时,就连垂直表面发射的光经都会被捕获了。在这时,恒星就变成了黑洞。说它“黑”,是指它就像是宇宙中的一个无底洞,任何物质一旦掉进去,似乎就再也不可能逃逸出来。
在地球上,由于引力场的作用非常小,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。更奇异的是,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强引力吸引,通过折射到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”,还能同时看到它的侧面、甚至后背。
日本天文学家表示,与宇宙中的其它天体相比,黑洞的很多特性显得非常特殊。比如,黑洞具有神奇的“隐身术”,人们几乎无法直接观察到它,连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么,黑洞到底是怎样把自己隐藏起来的呢?众所周知,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理论,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。一般来讲,天文学家们将黑洞分为两类:星状黑洞和超大质量星状黑洞。星状黑洞由质量相当于几个太阳的恒星坍缩形成,而超大质量星状黑洞的质量则可达十亿个太阳的质量。
黑洞还有另外一个更为惊奇的特点,那就是它能以接近光速的速度突然喷发。虽然长久以来人们一直认为磁场在这个过程中扮演了重要角色,但科学家们首次模拟出一个磁场排出被吸积的气体,从而产生喷发的具体过程。也许该小组的计算机模拟方法最惊人的结果是,发现了旋转黑洞附近的磁场在黑洞的吸积盘和远处旋转着的物质之间起到连接作用,就像一辆汽车的传动器,牢牢连接着旋转式发动机和它的轮轴一样。如果一个黑洞诞生时旋转得很快,就说明它的“火车头”非常强劲,而它所捕获的大量物质,会逐渐降低它的旋转速度。这些数量巨大的吸积物最后将接管整个过程,将黑洞旋转速度限制在一个上限之内。

日本天文学家们还发现,当黑洞扩散到一个定点后就将停止增长。最大的黑洞至少是太阳质量的1亿倍,它们在形成初期贪婪吞噬着周围的星体,不断膨胀,之后再吞噬着气体和灰尘,得以持续增长。但几乎所有的这些黑洞都已在数十亿年前用尽了“食物”,所以无法再继续进行扩张。另外,黑洞的增长与星体的诞生存在着密切的联系。(小顺)
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。
根据广义相对论,引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时,它的引力场对时空几乎没什么影响,从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小,它对周围的时空弯曲作用就越大,朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。
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“隐形”的,等一会儿我们会讲到。
那么,黑洞是怎样形成的呢?其实,跟白矮星和中子星一样,黑洞很可能也是由恒星演化而来的。
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。
质量小一些的恒星主要演化成白矮星,质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算,中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值,那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了,从而引发另一次大坍缩。
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。
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