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[天文] 黑洞

黑洞

一、黑洞概论:
黑洞是超巨星生命的终点。超巨星核聚变不断失去质量,直到剩余的质量无法产生足够的重力来束缚它自己庞大的容量时,超新星爆炸便炫目的结束了恒星的一生。如果这个巨星着质量够重,超新星爆炸后便发生重力坍陷,形成中子星或黑洞。
中子星我之前介绍过、黑洞就较为棘手,因为科学家对他的解释不一。但是大多数科学家认为黑洞是将巨大的质量压缩至一点,因此具有极大的重力 (万有引力)。黑洞的引力半径称为"视像地平面",一旦通过了视像地平面,连光和电磁波都无法脱离。因此以目前人类的技术是无法看通过视像地平面的,当然更不可能去测量黑洞的数据。但是当黑洞在吞噬一个恒星时,盘旋在黑洞周围的气体高速摩擦的情况下会产生大量的珈码射线 (请看下图)。如果这些射线是在视像地平面外产生,那就有机会逃离黑洞的引力被地球人观测到,科学家便以这些珈码射线来判断黑洞的存在。值得注意的是银河系中新就有一个超强大的珈码射线源,这是否意味着银河系中心是一个巨型黑洞,逐渐吞噬一切呢?
传统牛顿力学里,万有引力是由两个具有质量的物体互相吸引产生。但是黑洞能吸引不具质量的光和电磁波,这是牛顿力学无法解释的。爱因斯坦的相对论因此成为早期黑洞理论的起源,根据相对论重力能扭曲空间。因此很多早期的科学家认为黑洞强力的重力能把周围的空间扭曲成一个洞,因此才有"黑洞"这个名词。

但是理论总是不断在改进的。之前我再"脉冲星"一文中提到,由于角动量守衡的原则,中子星会高速旋转。如果把这方面的数学也考量进去的话,黑洞应该会比中子星旋转的更快。重新用电脑计算的结果,黑洞不一定是塌陷到一个点,而有可能是长这个样子:(缺图)
看到上面那张图大家应该都了解到其中的隐喻了吧 一一 黑洞可能连结着两个空间。但黑洞的另外一边是什么?是宇宙的另一端,是另一个时间,还是超乎人类想像的异空间呢?恐怕没人知晓吧!
然而黑洞就是恒星的最终点了吗?有些科学家不这么认为。
黑洞蒸发理论?
近代天才史蒂芬霍金的黑洞蒸发理论可以说是最引发争议的黑洞理论了。霍金先生认为相对论无法完全解释黑洞,还必须考虑量子力学。根据量子力学,量子(例如光子、点子、微中子...)能"无中生有"。其实也不是真的无中生有,而是正粒子和反粒子能配对犹虚无的能量同时产生 (看下图)。如果这个个情形发生在靠近视像地平面的黑洞内部的话,那这些量子还能表演宇宙中最神奇的魔术 一一 穿隧(Quantum Tunneling)效应。如果你不知道什么是穿遂效应,那就想像你站在一面墙旁边,所有的常识都说你不可能通过这道墙 (大卫魔术师除外)。但是根据量子力学,你其实有"一定的概率"能平空出现在墙的另一边,这个概率和质量成反比。对人这种质量而言,概率是零。但是量子质量非常的小,因此穿遂效应便有可能发生。



根据相对论,视像地平面内部的任何东西都是无法逃出的。但这些刚刚产生的量子具有高能量,能够有足够的概率"穿遂"到视像地平面外,进而逃离黑洞。因此久未吞噬其他物质的黑洞,就会这样一点一滴的失去能量和质量 (质量能量同等)。几百亿年后终于无法维持高重力摊缩,黑洞就崩溃消失了,这就是黑洞蒸发理论。
如果你看到这一行,很可能你觉得本文太无聊而直接拉到这里。总之这就是一部份的黑洞理论,随时修改希望大家看的下去。
二、科学家最新解密揭开黑洞无休止吸收能量之谜:

吞":黑洞周围形成“加速圈",吸取周围气体、光线等。

吐":黑洞外盘旋的磁场搅动加速圈,形成480公里/秒的超强风,从而释放出能量。

NASA
科学家最新解密:电磁风帮助黑洞“消化"一直以来科学家们都知道,宇宙黑洞是靠狂吞周围星体的气体、光线来不断膨胀。但关键问题是这个“怪物"的胃口就算再大,这样一直无休止地“大吃大喝",它是怎么办到的?近日,美国航空航太局(NASA)的一个由科学家约翰 米勒牵头的小组首次为这个疑问找到答案:那就是“吞"下去的,最终必然会“吐"出来。只有这样宇宙才可能保持平衡。平衡依靠“水车"原理黑洞靠强大的引力不断吸收周围星体气体。在此过程中,气体开始脱离原本的运行踪向并向黑洞偏离,由此形成“角动量"(描述物体绕轴运动的物理量,编者注),也就是说黑洞可以由此源源不断地吸收能量。被改变方向的气体使黑洞周围逐渐形成一个个越来越大、被称作“加速区"的圆环。在“加速区"里,大量炽热气体绕着黑洞旋转。随着气体越吸越多,黑洞必须分流已有的角动量,以便为持续涌进的能量提供空间。打个比方说,就像一个巨大的水车,为了保持旋转,它必须在装入水的同时释放出等量的水。黑洞也是如此,它必须在吸收角动量的同时释放出同等的能量。
两种方式助黑洞释放:
分子之间相互碰撞的巨大摩擦力是黑洞释放角动量的方法。不过有天文物理学家怀疑这并不是唯一的释放途径。解答这个疑问正是引起米勒及小组成员约翰雷蒙德、丹尼 斯蒂夫斯的兴趣所在。他们认为,除了摩擦力外,磁场风也能帮助黑洞释放能量。旋转的磁场风在“加速区"中可达到每秒480公里的高速度,部分角动量因此被它“驱赶"回宇宙空间。最终,研究小组认为,分子摩擦和磁场风使吸入黑洞的能量和被释放的能量得以平衡,将气体吸入黑洞,并照亮整个夜空。为了证明他们的理论,米勒和同事用电脑模拟了磁场风,再通过Chandra X射线望远镜观测银河系黑洞风,并比较两者的特性。最终,Chandra发回的资料显示,黑洞风的运行踪式与电脑模拟的磁场风完全相同。这个结果让米勒等人非常兴奋,不过米勒仍然冷静地表示,证明磁场风的存在仍只是他们探索黑洞成长原因过程中迈出的第一步。(艾丹)难倒霍金的黑洞1975年,英国着名物理学家史蒂芬 霍金提出“黑洞悖论",声称黑洞形成后,开始向外辐射能量,最终将因为质量丧失殆尽而消失。一旦黑洞消失,吸入黑洞中的信息也就丧失了。这个理论让霍金一炮成名。然而在2004年7月,霍金推翻了29年前自己的理论。他表示,黑洞不会将进入其边界的物体的信息淹没,反而会将这些信息“撕碎"后释放出去。


[补充]
假若有太空人跌进了黑洞,会发生甚么事呢?
首先,如你在远处看着这个不幸的太空人,你会发觉开始时就如一切向下跌的物体一样,太空人跌进黑洞的速度会越来越快,当太空人接近黑洞,奇怪的事开始发生,你会发觉太空人他开始减速,越接近事件穹界,太空人的速度便越慢,一切变得像慢动作影片,最后更彷似停留不动,永远不能到达事件穹界!
但对这个不幸的太空人来说,情况便完全不同。当然我们先要假设这个太空人有七龙珠超级赛亚人般的身体,不会被黑洞的引力杀死。当他越来越接近黑洞,黑洞看来会越来越大,更开始包围着他,只剩太空船的尾窗仍可看到外面的宇宙,但除此之外,倒没有甚么特别,之后在极短极短的时间之内,他便会撞上黑洞的奇点。

我觉得黑洞很funny
我本将心向明月,奈何明月照沟渠
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