廣義相對論語言的一種特別緻密的暗天體。大質量恆星在其演化末期發生塌縮,其物質特別緻密,它有一個稱為“視界”的封閉邊界,黑洞中隱匿著巨大的引力場,因引力場特別強以至於包括光子在內的任何物質只能進去而無法逃脫。黑洞質量下降下限約3倍太陽質量,當然,這是最後的星核質量,而不是恆星在主序時期的質量。除了這種恆星級黑洞,也有其他來源的黑洞——所謂微型黑洞可能形成於宇宙早期,而所謂超大質量黑洞可能存在於宇宙星系中央。(參考:《宇宙新視野》)
黑洞不讓任何其邊界以內的任何事物被外界看見,這就是這種物體被稱為“黑洞”的緣故。我們無法透過光的反射來觀察它,只能透過受其影響的周圍物體來間接瞭解黑洞。雖然這麼說,但黑洞還是有它的邊界,即”事件視界”.據猜測,黑洞是死亡恆星的剩餘物,是在特殊的大質量超巨星坍塌收縮時產生的。另外,黑洞必須是一顆質量大於錢德拉塞卡極限的恆星演化到末期而形成的,質量小於錢德拉塞卡極限的恆星是無法形成黑洞的.(有關參考:《時間簡史》——霍金?著)
黑洞其實也是個星球(類似星球),只不過它的密度非常非常大,靠近它的物體都被它的引力所約束(就好像人在地球上沒有飛走一樣),不管用多大的速度都無法脫離。對於地球來說,以第二宇宙速度(11.2km/s)來飛行就可以逃離地球,但是對於黑洞來說,它的第二宇宙速度之大,竟然超越了光速,所以連光都跑不出來,於是射進去的光沒有反射回來,我們的眼睛就看不到任何東西,只是黑色一片。
銀河系的中心——黑洞!
這一發現讓專家們感到萬分驚奇:要知道在銀河系的中央存在著一個巨型黑洞,此前流行的理論認為,在黑洞附近是不可能存在任何天體的。
能夠發現這些恆星還要感謝美國的“錢德拉”X射線太空望遠鏡。它們距離銀河系的中心區域只有95億公里(小於1光年)。要補充的是,地球到銀河系中心黑洞的距離大約為2.6萬光年。
此次發現的這批恆星的體積大約是太陽的30-50倍,亮度則達到了後者100倍。天文學家們認為,這些恆星可能會發展為類星體併發生爆炸。隨後,它們將在自身巨大引力的作用下發生收縮、塌陷,最終會演變為一群小型的黑洞。
通常情況下,身處黑洞附近的天體均會逐漸地被黑洞所吞噬,並最終消失的無影無蹤。從事恆星研究的科學家們猜測,此次在銀河系中央黑洞附近發現的恆星可能形成了一個獨特的環形結構,其中包含有各種天體。
天文學家們認為,巨型黑洞均處於各個星系的中央部位。
眾所周知,包括恆星在內的任何物質一旦陷入黑洞的引力場都會消失的無影無蹤。但是科學家們新近的這一重大發現卻表明,圍繞在黑洞周圍一定距離上的盤狀氣態物質也有可能演化為恆星。
【黑洞趣事】在你閱讀以下關於黑洞的複雜科學知識以前,先知道兩個發生在黑洞周圍的兩個有趣現象。
根據廣義相對論,引力越強,時間越慢。引力越小,時間越快。我們的地球因為質量較小,從一個地方到另一個地方,引力變化不大,所以時間差距也不大。比如說,喜馬拉雅山的頂部和山底只差幾千億之一秒。黑洞因為質量巨大,從一個地方到另一個地方,引力變化非常巨大,所以時間差距也巨大。如果喜馬拉亞山處在黑洞周圍,當一群登山運動員從山底出發,比如說他們所處的時間是2005年。當他們登頂後,他們發現山頂的時間是2000年。
=========================================================================
【黑洞趣事】中的第一項明顯是與廣義相對論和量子力學相悖的,如果在黑洞附近有一喜瑪拉雅山,登頂的時間是9.326X10的32次方年,而且時間只能向前,不能倒退.無論是愛因斯坦的廣義相對論還是其它理論,時間都是無法倒流的,只能向前,就是說如果有時間飛船可坐,我們可以到未來任何時間,比如到公元3000年,但這是單程票,去了就回不來了。
另外一個有趣的現象也是根據廣義相對論,引力越強,時間越慢,物體的長度也縮小。假如銀河系被一個黑洞所吸引,在被吸收的過程中,銀河系會變成一個米粒大小的東西。銀河系裡的一切東西包括地球都按相同比例縮小。所以在地球上的人看來,銀河系依舊是浩瀚無邊。地球上的人依舊照常上班學習,跟他們在正常情況下一樣。因為在他們看來,周圍的人和物體和他們的大小比例關係不變。他們渾然不知這一切都發生一個米粒大的世界裡。
但因為黑洞周圍引力巨大,任何物體都不能長時間待留。假如銀河系被一個黑洞所吸引,地球上的人只有幾秒的時間去體驗第一個現象.
【黑洞動力學】
廣義相對論是愛因斯坦建立的引力學說,適用於行星、恆星,也適用於“黑洞”。愛因斯坦在1916年提出來的這一學說,說明空間和時間是怎樣因大質量物體的存在而發生畸變。簡言之,廣義相對論說物質彎曲了空間,而空間的彎曲又反過來影響穿越空間的物體的運動。
再讓我們看一看愛因斯坦的模型是怎樣工作的。首先,考慮時間(空間的三維是長、寬、高)是現實世界中的第四維(雖然難於在平常的三個方向之外再畫出一個方向,但我們可以盡力去想象)。其次,考慮時空是一張巨大的繃緊了的體操表演用的彈簧床的床面。
愛因斯坦的學說認為質量使時空彎曲。我們不妨在彈簧床的床面上放一塊大石頭來說明這一情景:石頭的重量使得繃緊了的床面稍微下沉了一些,雖然彈簧床面基本上仍舊是平整的,但其中央仍稍有下凹。如果在彈簧床中央放置更多的石塊,則將產生更大的效果,使床面下沉得更多。事實上,石頭越多,彈簧床面彎曲得越厲害。
同樣的道理,宇宙中的大質量物體會使宇宙結構發生畸變。正如10塊石頭比1塊石頭使彈簧床面彎曲得更厲害一樣,質量比太陽大得多的天體比等於或小於一個太陽質量的天體使空間彎曲得厲害地多。
如果一個網球在一張繃緊了的平坦的彈簧床上滾動,它將沿直線前進。反之,如果它經過一個下凹的地方,則它的路徑呈弧形。同理,天體穿行時空的平坦區域時繼續沿直線前進,而那些穿越彎曲區域的天體將沿彎曲的軌跡前進。
現在再來看看黑洞對於其周圍的時空區域的影響。設想在彈簧床面上放置一塊質量非常大的石頭代表密度極大的黑洞。自然,石頭將大大地影響床面,不僅會使其表面彎曲下陷,還可能使床面發生斷裂。類似的情形同樣可以宇宙出現,若宇宙中存在黑洞,則該處的宇宙結構將被撕裂。這種時空結構的破裂叫做時空的奇異性或奇點。
現在我們來看看為什麼任何東西都不能從黑洞逃逸出去。正如一個滾過彈簧床面的網球,會掉進大石頭形成的深洞一樣,一個經過黑洞的物體也會被其引力陷阱所捕獲。而且,若要挽救運氣不佳的物體需要無窮大的能量。
我們已經說過,沒有任何能進入黑洞而再逃離它的東西。但科學家認為黑洞會緩慢地釋放其能量。著名的英國物理學家霍金在1974年證明黑洞有一個不為零的溫度,有一個比其周圍環境要高一些的溫度。依照物理學原理,一切比其周圍溫度高的物體都要釋放出熱量,同樣黑洞也不例外。一個黑洞會持續幾百萬萬億年散發能量,黑洞釋放能量稱為:“霍金輻射”。黑洞散盡所有能量就會消失。
處於時間與空間之間的黑洞,使時間放慢腳步,使空間變得有彈性,同時吞進所有經過它的一切。1969年,美國物理學家約翰?阿提?惠勒將這種貪得無厭的空間命名為“黑洞”。
我們都知道因為黑洞不能反射光,所以看不見。在我們的腦海中黑洞可能是遙遠而又漆黑的。但英國著名物理學家霍金認為黑洞並不如大多數人想象中那樣黑。透過科學家的觀測,黑洞周圍存在輻射,而且很可能來自於黑洞,也就是說,黑洞可能並沒有想象中那樣黑。霍金指出黑洞的放射性物質來源是一種實粒子,這些粒子在太空中成對產生,不遵從通常的物理定律。而且這些粒子發生碰撞後,有的就會消失在茫茫太空中。一般說來,可能直到這些粒子消失時,我們都未曾有機會看到它們。
霍金還指出,黑洞產生的同時,實粒子就會相應成對出現。其中一個實粒子會被吸進黑洞中,另一個則會逃逸,一束逃逸的實粒子看起來就像光子一樣。對觀察者而言,看到逃逸的實粒子就感覺是看到來自黑洞中的射線一樣。
等恆星的半徑小於一特定值(天文學上叫“施瓦西半徑”)時,就連垂直表面發射的光都被捕獲了。到這時,恆星就變成了黑洞。說它“黑”,是指任何物質一旦掉進去,就再不能逃出,包括光。實際上黑洞真正是“隱形”的.
【黑洞的特殊】
與別的天體相比,黑洞是顯得太特殊了。例如,黑洞有“隱身術”,人們無法直接觀察到它,連科學家都只能對它內部結構提出各種猜想。那麼,黑洞是怎麼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。可是根據廣義相對論,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,由於引力場作用很小,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,可另一部分光線會透過彎曲的空間中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,它朝其它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、甚至後背!
“黑洞”無疑是本世紀最具有挑戰性、也最讓人激動的天文學說之一。許多科學家正在為揭開它的神秘面紗而辛勤工作著,新的理論也不斷地提出。不過,這些當代天體物理學的最新成果不是在這裡三言兩語能說清楚的。有興趣的朋友可以去參考專門的論著。
【黑洞的劃分】
按組成來劃分,黑洞可以分為兩大類。一是暗能量黑洞,二是物理黑洞。
暗能量黑洞
它主要由高速旋轉的巨大的暗能量組成,它內部沒有巨大的質量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋轉,其內部產生巨大的負壓以吞噬物體,從而形成黑洞,詳情請看“宇宙黑洞論”。暗能量黑洞是星系形成的基礎,也是星團、星系團形成的基礎。物理黑洞由一顆或多顆天體坍縮形成,具有巨大的質量。當一個物理黑洞的質量等於或大於一個星系的質量時,我們稱之為奇點黑洞。暗能量黑洞的體積很大,可以有太陽系那般大。
物理黑洞
它的比起暗能量黑洞來說體積非常小,它甚至可以縮小到一個奇點。
1972年,美國普林斯頓大學青年研究生貝肯斯坦提出黑洞"無毛定理":星體坍縮成黑洞後,只剩下質量,角動量,電荷三個基本守恆量繼續起作用。其他一切因素("毛髮")都在進入黑洞後消失了。這一定理後來由霍金等四人嚴格證明。
由此,根據黑洞本身的物理特性,可以將黑洞分為以下四類。
(1)不旋轉不帶電荷的黑洞。它的時空結構於1916年由施瓦西求出稱施瓦西黑洞。
(2)不旋轉帶電黑洞,稱R-N黑洞。時空結構於1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。
(3)旋轉不帶電黑洞,稱克爾黑洞。時空結構由克爾於1963年求出。
(4)一般黑洞,稱克爾-紐曼黑洞。時空結構於1965年由紐曼求出。
【黑洞的吸積】
黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的,這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會嚴重影響吸積流的幾何與動力學特性。目前觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當吸積氣體接近中央黑洞時,它們產生的輻射對黑洞的自轉以及視界的存在極為敏感。對吸積黑洞光度和光譜的分析為旋轉黑洞和視界的存在提供了強有力的證據。數值模擬也顯示吸積黑洞經常出現相對論噴流也部分是由黑洞的自轉所驅動的。
天體物理學家用“吸積”這個詞來描述物質向中央引力體或者是中央延展物質系統的流動。吸積是天體物理中最普遍的過程之一,而且也正是因為吸積才形成了我們周圍許多常見的結構。在宇宙早期,當氣體朝由暗物質造成的引力勢阱中心流動時形成了星系。即使到了今天,恆星依然是由氣體雲在其自身引力作用下坍縮碎裂,進而透過吸積周圍氣體而形成的。行星——包括地球——也是在新形成的恆星周圍透過氣體和岩石的聚集而形成的。但是當中央天體是一個黑洞時,吸積就會展現出它最為壯觀的一面。
然而黑洞並不是什麼都吸收的,它也往外邊散發質子.
【黑洞的毀滅】
黑洞會發出耀眼的光芒,體積會縮小,甚至會爆炸。當英國物理學家史迪芬?霍金於1974年做此語言時,整個科學界為之震動。
黑洞曾被認為是宇宙最終的沉澱所在:沒有什麼可以逃出黑洞,它們吞噬了氣體和星體,質量增大,因而洞的體積只會增大。
霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍,他結合了廣義相對論和量子理論。他發現黑洞周圍的引力場釋放出能量,同時消耗黑洞的能量和質量(當一個粒子從黑洞逃逸而沒有償還它借來的能量,黑洞就會從它的引力場中喪失同樣數量的能量,而愛因斯坦的公式E=mc^2表明,能量的損失會導致質量的損失)。當黑洞的質量越來越小時,它的溫度會越來越高。這樣,當黑洞損失質量時,它的溫度和發射率增加,因而它的質量損失得更快。這種“霍金輻射”對大多數黑洞來說可以忽略不計,而小黑洞則以極高的速度輻射能量,直到黑洞的爆炸。
所有的黑洞都會蒸發,只不過大的黑洞沸騰得較慢,它們的輻射非常微弱,因此另人難以覺察。但是隨著黑洞逐漸變小,這個過程會加速,以至最終失控。黑洞萎縮時,引力並也會變陡,產生更多的逃逸粒子,從黑洞中掠奪的能量和質量也就越多。黑洞萎縮的越來越快,促使蒸發的速度變得越來越快,周圍的光環變得更亮、更熱,當溫度達到10^15℃時,黑洞就會在爆炸中毀滅。
廣義相對論語言的一種特別緻密的暗天體。大質量恆星在其演化末期發生塌縮,其物質特別緻密,它有一個稱為“視界”的封閉邊界,黑洞中隱匿著巨大的引力場,因引力場特別強以至於包括光子在內的任何物質只能進去而無法逃脫。黑洞質量下降下限約3倍太陽質量,當然,這是最後的星核質量,而不是恆星在主序時期的質量。除了這種恆星級黑洞,也有其他來源的黑洞——所謂微型黑洞可能形成於宇宙早期,而所謂超大質量黑洞可能存在於宇宙星系中央。(參考:《宇宙新視野》)
黑洞不讓任何其邊界以內的任何事物被外界看見,這就是這種物體被稱為“黑洞”的緣故。我們無法透過光的反射來觀察它,只能透過受其影響的周圍物體來間接瞭解黑洞。雖然這麼說,但黑洞還是有它的邊界,即”事件視界”.據猜測,黑洞是死亡恆星的剩餘物,是在特殊的大質量超巨星坍塌收縮時產生的。另外,黑洞必須是一顆質量大於錢德拉塞卡極限的恆星演化到末期而形成的,質量小於錢德拉塞卡極限的恆星是無法形成黑洞的.(有關參考:《時間簡史》——霍金?著)
黑洞其實也是個星球(類似星球),只不過它的密度非常非常大,靠近它的物體都被它的引力所約束(就好像人在地球上沒有飛走一樣),不管用多大的速度都無法脫離。對於地球來說,以第二宇宙速度(11.2km/s)來飛行就可以逃離地球,但是對於黑洞來說,它的第二宇宙速度之大,竟然超越了光速,所以連光都跑不出來,於是射進去的光沒有反射回來,我們的眼睛就看不到任何東西,只是黑色一片。
銀河系的中心——黑洞!
這一發現讓專家們感到萬分驚奇:要知道在銀河系的中央存在著一個巨型黑洞,此前流行的理論認為,在黑洞附近是不可能存在任何天體的。
能夠發現這些恆星還要感謝美國的“錢德拉”X射線太空望遠鏡。它們距離銀河系的中心區域只有95億公里(小於1光年)。要補充的是,地球到銀河系中心黑洞的距離大約為2.6萬光年。
此次發現的這批恆星的體積大約是太陽的30-50倍,亮度則達到了後者100倍。天文學家們認為,這些恆星可能會發展為類星體併發生爆炸。隨後,它們將在自身巨大引力的作用下發生收縮、塌陷,最終會演變為一群小型的黑洞。
通常情況下,身處黑洞附近的天體均會逐漸地被黑洞所吞噬,並最終消失的無影無蹤。從事恆星研究的科學家們猜測,此次在銀河系中央黑洞附近發現的恆星可能形成了一個獨特的環形結構,其中包含有各種天體。
天文學家們認為,巨型黑洞均處於各個星系的中央部位。
眾所周知,包括恆星在內的任何物質一旦陷入黑洞的引力場都會消失的無影無蹤。但是科學家們新近的這一重大發現卻表明,圍繞在黑洞周圍一定距離上的盤狀氣態物質也有可能演化為恆星。
【黑洞趣事】在你閱讀以下關於黑洞的複雜科學知識以前,先知道兩個發生在黑洞周圍的兩個有趣現象。
根據廣義相對論,引力越強,時間越慢。引力越小,時間越快。我們的地球因為質量較小,從一個地方到另一個地方,引力變化不大,所以時間差距也不大。比如說,喜馬拉雅山的頂部和山底只差幾千億之一秒。黑洞因為質量巨大,從一個地方到另一個地方,引力變化非常巨大,所以時間差距也巨大。如果喜馬拉亞山處在黑洞周圍,當一群登山運動員從山底出發,比如說他們所處的時間是2005年。當他們登頂後,他們發現山頂的時間是2000年。
=========================================================================
【黑洞趣事】中的第一項明顯是與廣義相對論和量子力學相悖的,如果在黑洞附近有一喜瑪拉雅山,登頂的時間是9.326X10的32次方年,而且時間只能向前,不能倒退.無論是愛因斯坦的廣義相對論還是其它理論,時間都是無法倒流的,只能向前,就是說如果有時間飛船可坐,我們可以到未來任何時間,比如到公元3000年,但這是單程票,去了就回不來了。
另外一個有趣的現象也是根據廣義相對論,引力越強,時間越慢,物體的長度也縮小。假如銀河系被一個黑洞所吸引,在被吸收的過程中,銀河系會變成一個米粒大小的東西。銀河系裡的一切東西包括地球都按相同比例縮小。所以在地球上的人看來,銀河系依舊是浩瀚無邊。地球上的人依舊照常上班學習,跟他們在正常情況下一樣。因為在他們看來,周圍的人和物體和他們的大小比例關係不變。他們渾然不知這一切都發生一個米粒大的世界裡。
但因為黑洞周圍引力巨大,任何物體都不能長時間待留。假如銀河系被一個黑洞所吸引,地球上的人只有幾秒的時間去體驗第一個現象.
【黑洞動力學】
廣義相對論是愛因斯坦建立的引力學說,適用於行星、恆星,也適用於“黑洞”。愛因斯坦在1916年提出來的這一學說,說明空間和時間是怎樣因大質量物體的存在而發生畸變。簡言之,廣義相對論說物質彎曲了空間,而空間的彎曲又反過來影響穿越空間的物體的運動。
再讓我們看一看愛因斯坦的模型是怎樣工作的。首先,考慮時間(空間的三維是長、寬、高)是現實世界中的第四維(雖然難於在平常的三個方向之外再畫出一個方向,但我們可以盡力去想象)。其次,考慮時空是一張巨大的繃緊了的體操表演用的彈簧床的床面。
愛因斯坦的學說認為質量使時空彎曲。我們不妨在彈簧床的床面上放一塊大石頭來說明這一情景:石頭的重量使得繃緊了的床面稍微下沉了一些,雖然彈簧床面基本上仍舊是平整的,但其中央仍稍有下凹。如果在彈簧床中央放置更多的石塊,則將產生更大的效果,使床面下沉得更多。事實上,石頭越多,彈簧床面彎曲得越厲害。
同樣的道理,宇宙中的大質量物體會使宇宙結構發生畸變。正如10塊石頭比1塊石頭使彈簧床面彎曲得更厲害一樣,質量比太陽大得多的天體比等於或小於一個太陽質量的天體使空間彎曲得厲害地多。
如果一個網球在一張繃緊了的平坦的彈簧床上滾動,它將沿直線前進。反之,如果它經過一個下凹的地方,則它的路徑呈弧形。同理,天體穿行時空的平坦區域時繼續沿直線前進,而那些穿越彎曲區域的天體將沿彎曲的軌跡前進。
現在再來看看黑洞對於其周圍的時空區域的影響。設想在彈簧床面上放置一塊質量非常大的石頭代表密度極大的黑洞。自然,石頭將大大地影響床面,不僅會使其表面彎曲下陷,還可能使床面發生斷裂。類似的情形同樣可以宇宙出現,若宇宙中存在黑洞,則該處的宇宙結構將被撕裂。這種時空結構的破裂叫做時空的奇異性或奇點。
現在我們來看看為什麼任何東西都不能從黑洞逃逸出去。正如一個滾過彈簧床面的網球,會掉進大石頭形成的深洞一樣,一個經過黑洞的物體也會被其引力陷阱所捕獲。而且,若要挽救運氣不佳的物體需要無窮大的能量。
我們已經說過,沒有任何能進入黑洞而再逃離它的東西。但科學家認為黑洞會緩慢地釋放其能量。著名的英國物理學家霍金在1974年證明黑洞有一個不為零的溫度,有一個比其周圍環境要高一些的溫度。依照物理學原理,一切比其周圍溫度高的物體都要釋放出熱量,同樣黑洞也不例外。一個黑洞會持續幾百萬萬億年散發能量,黑洞釋放能量稱為:“霍金輻射”。黑洞散盡所有能量就會消失。
處於時間與空間之間的黑洞,使時間放慢腳步,使空間變得有彈性,同時吞進所有經過它的一切。1969年,美國物理學家約翰?阿提?惠勒將這種貪得無厭的空間命名為“黑洞”。
我們都知道因為黑洞不能反射光,所以看不見。在我們的腦海中黑洞可能是遙遠而又漆黑的。但英國著名物理學家霍金認為黑洞並不如大多數人想象中那樣黑。透過科學家的觀測,黑洞周圍存在輻射,而且很可能來自於黑洞,也就是說,黑洞可能並沒有想象中那樣黑。霍金指出黑洞的放射性物質來源是一種實粒子,這些粒子在太空中成對產生,不遵從通常的物理定律。而且這些粒子發生碰撞後,有的就會消失在茫茫太空中。一般說來,可能直到這些粒子消失時,我們都未曾有機會看到它們。
霍金還指出,黑洞產生的同時,實粒子就會相應成對出現。其中一個實粒子會被吸進黑洞中,另一個則會逃逸,一束逃逸的實粒子看起來就像光子一樣。對觀察者而言,看到逃逸的實粒子就感覺是看到來自黑洞中的射線一樣。
等恆星的半徑小於一特定值(天文學上叫“施瓦西半徑”)時,就連垂直表面發射的光都被捕獲了。到這時,恆星就變成了黑洞。說它“黑”,是指任何物質一旦掉進去,就再不能逃出,包括光。實際上黑洞真正是“隱形”的.
【黑洞的特殊】
與別的天體相比,黑洞是顯得太特殊了。例如,黑洞有“隱身術”,人們無法直接觀察到它,連科學家都只能對它內部結構提出各種猜想。那麼,黑洞是怎麼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。可是根據廣義相對論,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,由於引力場作用很小,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,可另一部分光線會透過彎曲的空間中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,它朝其它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、甚至後背!
“黑洞”無疑是本世紀最具有挑戰性、也最讓人激動的天文學說之一。許多科學家正在為揭開它的神秘面紗而辛勤工作著,新的理論也不斷地提出。不過,這些當代天體物理學的最新成果不是在這裡三言兩語能說清楚的。有興趣的朋友可以去參考專門的論著。
【黑洞的劃分】
按組成來劃分,黑洞可以分為兩大類。一是暗能量黑洞,二是物理黑洞。
暗能量黑洞
它主要由高速旋轉的巨大的暗能量組成,它內部沒有巨大的質量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋轉,其內部產生巨大的負壓以吞噬物體,從而形成黑洞,詳情請看“宇宙黑洞論”。暗能量黑洞是星系形成的基礎,也是星團、星系團形成的基礎。物理黑洞由一顆或多顆天體坍縮形成,具有巨大的質量。當一個物理黑洞的質量等於或大於一個星系的質量時,我們稱之為奇點黑洞。暗能量黑洞的體積很大,可以有太陽系那般大。
物理黑洞
它的比起暗能量黑洞來說體積非常小,它甚至可以縮小到一個奇點。
1972年,美國普林斯頓大學青年研究生貝肯斯坦提出黑洞"無毛定理":星體坍縮成黑洞後,只剩下質量,角動量,電荷三個基本守恆量繼續起作用。其他一切因素("毛髮")都在進入黑洞後消失了。這一定理後來由霍金等四人嚴格證明。
由此,根據黑洞本身的物理特性,可以將黑洞分為以下四類。
(1)不旋轉不帶電荷的黑洞。它的時空結構於1916年由施瓦西求出稱施瓦西黑洞。
(2)不旋轉帶電黑洞,稱R-N黑洞。時空結構於1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。
(3)旋轉不帶電黑洞,稱克爾黑洞。時空結構由克爾於1963年求出。
(4)一般黑洞,稱克爾-紐曼黑洞。時空結構於1965年由紐曼求出。
【黑洞的吸積】
黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的,這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會嚴重影響吸積流的幾何與動力學特性。目前觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當吸積氣體接近中央黑洞時,它們產生的輻射對黑洞的自轉以及視界的存在極為敏感。對吸積黑洞光度和光譜的分析為旋轉黑洞和視界的存在提供了強有力的證據。數值模擬也顯示吸積黑洞經常出現相對論噴流也部分是由黑洞的自轉所驅動的。
天體物理學家用“吸積”這個詞來描述物質向中央引力體或者是中央延展物質系統的流動。吸積是天體物理中最普遍的過程之一,而且也正是因為吸積才形成了我們周圍許多常見的結構。在宇宙早期,當氣體朝由暗物質造成的引力勢阱中心流動時形成了星系。即使到了今天,恆星依然是由氣體雲在其自身引力作用下坍縮碎裂,進而透過吸積周圍氣體而形成的。行星——包括地球——也是在新形成的恆星周圍透過氣體和岩石的聚集而形成的。但是當中央天體是一個黑洞時,吸積就會展現出它最為壯觀的一面。
然而黑洞並不是什麼都吸收的,它也往外邊散發質子.
【黑洞的毀滅】
黑洞會發出耀眼的光芒,體積會縮小,甚至會爆炸。當英國物理學家史迪芬?霍金於1974年做此語言時,整個科學界為之震動。
黑洞曾被認為是宇宙最終的沉澱所在:沒有什麼可以逃出黑洞,它們吞噬了氣體和星體,質量增大,因而洞的體積只會增大。
霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍,他結合了廣義相對論和量子理論。他發現黑洞周圍的引力場釋放出能量,同時消耗黑洞的能量和質量(當一個粒子從黑洞逃逸而沒有償還它借來的能量,黑洞就會從它的引力場中喪失同樣數量的能量,而愛因斯坦的公式E=mc^2表明,能量的損失會導致質量的損失)。當黑洞的質量越來越小時,它的溫度會越來越高。這樣,當黑洞損失質量時,它的溫度和發射率增加,因而它的質量損失得更快。這種“霍金輻射”對大多數黑洞來說可以忽略不計,而小黑洞則以極高的速度輻射能量,直到黑洞的爆炸。
所有的黑洞都會蒸發,只不過大的黑洞沸騰得較慢,它們的輻射非常微弱,因此另人難以覺察。但是隨著黑洞逐漸變小,這個過程會加速,以至最終失控。黑洞萎縮時,引力並也會變陡,產生更多的逃逸粒子,從黑洞中掠奪的能量和質量也就越多。黑洞萎縮的越來越快,促使蒸發的速度變得越來越快,周圍的光環變得更亮、更熱,當溫度達到10^15℃時,黑洞就會在爆炸中毀滅。