黑洞其實不太黑,洞也不是那個洞?今晚,盤它!
2019年04月10日15:16

  4月10日,一條消息將讓全世界物理學界為之沸騰:“千呼萬喚始出來”,位於全球各地的“事件視界望遠鏡”(EHT)拍攝到的首張黑洞圖像將於當日新鮮“出爐”。黑洞,這個恍若鬼魅的天體又開始霸道地侵襲我們的視野。

  它是在時間和空間中形成的“洞”,不斷吞噬周圍物質,增加自己的質量;它也是光子的“牢籠”;它貪得無厭,永不停息地吞噬著周圍的一切……這是世人繪製的黑洞的經典圖像:既霸蠻又貪吃。但真是如此嗎?

黑洞藝術圖。圖片來源:物理學家組織網
黑洞藝術圖。圖片來源:物理學家組織網

  黑洞如何形成:都是引力惹的禍

  黑洞如何形成的呢?

  中國科學院國家天文台研究員陸由俊對科技日報記者說:“目前比較明確的是恒星級質量的黑洞是恒星塌縮的遺骸;而大質量黑洞則有可能由其它機製產生的中等質量黑洞吸積物質長大而成。”

  所有的恒星都是核聚變反應爐,在其中,輕元素(主要是氫)聚合成重元素。核聚變過程提供了恒星一生的大部分能量。不過,最終,核燃料耗盡,由中心產生的能量再也無力對抗外殼巨大的重量,引力開始起主宰作用。

  1928年,印度研究生薩拉·瑪尼安·錢德拉塞卡乘船來英國劍橋學習天文學。在來英途中,錢德拉塞卡算出在耗盡所有燃料之後,多大的恒星可以繼續對抗自己的引力而維持自己——這就是所謂的“錢德拉塞卡極限”,約為1.44倍太陽質量。

  陸由俊解釋說:“這一值對大質量恒星的最終歸宿具有重大意義。一般來說,如果一顆恒星的質量不到太陽質量的9倍,最終會形成白矮星;9-25個太陽質量左右的恒星會演化至超新星爆發,再最後塌縮為中子星;而約25個太陽質量之上的恒星會形成黑洞。”

  當這一恒星收縮到某一臨界半徑(“史瓦西半徑”,以德國物理學家、天文學家卡爾·史瓦西的名字命名,他是使用愛因斯坦廣義相對論方程證明黑洞的確能夠形成的第一人)時,其表面上的引力變得如此之強,以至於光線再也逃逸不出去。

  根據相對論,沒有東西能行進得比光還快。如果光都逃逸不出來,其他東西更不可能:所有東西都會被引力場拉回去。這樣,就出現了一個事件的集合或時空區域,光或任何東西都不可能從該區域逃逸而到達遠處的觀察者——我們將這一區域稱謂黑洞,將其邊界稱作事件視界。

  黑洞都是來者不拒?有些很“挑食”

  據物理學家組織網4月6日報導,一些黑洞是貪婪的貪食者,吸入大量氣體和灰塵;而其他黑洞則很挑食。

  比如,此次EHT任務的主要目標,位於銀河系中央的“人馬座A*”似乎就很挑食,儘管其質量為太陽質量的400萬倍,但它的吸積盤卻出人意料地暗淡。吸積盤由氣體、瀰散物質等組成,圍繞黑洞或中子星轉動,遠遠看去,就像一個扁平的盤子。

  而此次EHT觀察的另一個目標,即M87星系中的黑洞,則是一個貪婪的食客,其質量介於35億至72.2億太陽質量之間。它不僅擁有一個非常明亮的吸積盤,而且,它還噴射出明亮、快速的帶電亞原子粒子流,這一粒子流延伸約5000光年。

  同樣是超大質量黑洞,為什麼“貪吃”的程度差別如此巨大?這一問題一直以來都是困擾天體物理學家的難題。

  陸由俊解釋說:“原因是不同星系核心的環境不一樣。有的星系的中心由於受到諸如星系碰撞過程等的擾動,氣體沉積到中心黑洞附近,為黑洞提供了豐富的食物,以至於它們可以大快朵頤;而有的星系中心區域則比較平穩,只有少量氣體能夠到達黑洞附近,使得黑洞不得不淺斟慢酌。”

  只可遠觀:會把人變成意大利麵

  儘管人們對黑洞的熱情高漲,但其只可遠觀而不可接近,否則,後果很嚴重。簡單來說,如果你和黑洞靠得太近,你就會就像意大利麵一樣被拉長。這一現像有個極富創意的名字“意大利麵條效應”。之所以會產生這種效應,是因為人體各處受到的引力大小不同。

  如果你兩腳朝下飛向黑洞,由於你的腳離黑洞更近,它受到的引力將比頭部受到的引力要大。更糟糕的是,由於胳膊並非位於身體中心,它們被拉長的方向會與頭部的朝向稍有不同,你身體的邊緣部位會被拉進身體里。最後的結果是,你的身體不僅被拉長了,而且還變細了。因此,還沒等你(或其他物體)抵達黑洞中心,你就早早地變成了一根意大利麵條。

被黑洞拉成意大利麵條的宇航員
被黑洞拉成意大利麵條的宇航員

  並非永久監獄:信息可從中逃逸

  經典黑洞理論認為,任何物質和輻射都不能逃離黑洞;而量子力學理論表明,落入黑洞的信息可以重新獲取,這個所謂的“信息悖論”已困擾科學界40年。

  2016年1月,霍金等人提出:落入黑洞的粒子的信息部分並沒有消失,有些信息會以不同的形式釋放出來,只不過很難還原和破解。

  1985年,劍橋大學教授霍金。這一年霍金因為肺炎失去了說話的能力。

  其實,早在此之前的2015年3月,霍金就對黑洞理論進行了修改,宣稱黑洞實際上是“灰色的”。新“灰洞”理論稱,物質和能量被黑洞困住一段時間後,又會被重新釋放到宇宙中。霍金還指出,黑洞並非“永恒的牢籠”,某些信息會以不同的形式釋放出來。

  現在,霍金同哈佛大學的安德魯·施特勒明格和劍橋大學的馬爾科姆·佩里提出了新理論:讓信息“逃逸”的黑洞裂口由“柔軟的帶電毛髮”組成,它們是位於事件視界上的光子和引力子組成的粒子,這些能量極低甚至為零的粒子能捕獲並存儲落入黑洞的粒子的信息,就像人的鼻毛能捕獲灰塵一樣。這意味著,儘管落入黑洞的粒子可能已“有去無回”,但部分信息存儲在這些“柔軟毛髮內”,持續在黑洞邊界逡巡。

  霍金解釋說:“我認為,信息不像大多數人以為的那樣被存儲在黑洞內部,而是被存儲在事件視界上。進入黑洞的粒子的信息確實返回到空間了,但採用一種混沌且無用的形式。返回的信息與燒焦的百科全書差不多,從理論上來說,信息並沒有丟失,但很難進行翻譯和破譯。”

  在美國《紐約時報》2016年6月8日的報導,霍金用他那著名的機器人聲音說:“黑洞不是人們一度以為的那種永久的監獄。如果你覺得陷入了黑洞,不要放棄。有路可逃。”

  終極命運:或隨時間蒸發殆盡

  黑洞的最終命運如何呢?

  1973年霍金在彎曲時空量子場論的研究中發現原來“黑洞不黑”!原本經典理論上“一毛不拔”的黑洞在黑洞量子力學中也可以通過一定的機製發射黑體輻射,這就是霍金輻射!

  儘管霍金的這一想法剛提出時受到了普遍的質疑,但後來,大部分科學家都得出結論稱:如果我們關於廣義相對論和量子力學的其他觀念是正確的,那麼黑洞必須像熱體那樣發射粒子和輻射。

  但我們又知道,任何東西都不能從黑洞的事件視界之內逃逸出來,黑洞怎麼可能發射粒子呢?量子理論給我們的回答是,粒子不是從黑洞裡面出來的,而是從緊靠黑洞的事件視界的外面的“空虛的”空間來的。

  霍金在《時間簡史》中解釋稱,“空虛的”的空間充滿虛粒子反粒子對。它們被一同創生,相互離開,然後再回到一起並且湮滅。如果黑洞存在,帶有負能量的虛粒子落到黑洞里可能會變成實粒子或者反實粒子。這種情形下,它不再需要和它的伴侶相互湮滅了。它被拋棄的伴侶可以落到黑洞中去。或者由於它具有正能量,也可以作為實粒子或反實粒子從黑洞的鄰近逃走。

黑洞視界附近的正反粒子對
黑洞視界附近的正反粒子對

  而且,黑洞的質量越小,其溫度就越高。這樣,隨著黑洞損失質量,它的溫度和發射率增加,導致其質量損失得更快。因此,小質量的黑洞,霍金輻射強,它們很快就會蒸發掉,一個10^15克的黑洞被蒸發掉所需的時間與宇宙的年齡相仿。

  由於逃離黑洞的輻射過於捉摸不定,因此“霍金輻射”很難得以證實。不過,據國外媒體2016年4月底報導,來自美國和以色列的兩個獨立研究團隊稱,他們發現了足以支援“霍金輻射”理論的明確證據,但相關研究仍有待進一步證實。

  物理學界的江湖流傳著很多關於黑洞的傳說,孰真孰假,唯有等待時間和科學來檢驗。

  來源:科技日報 記者 劉霞

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