我們是如何計算出宇宙中有多少個黑洞的?

2021年12月03日10:01
正在爆發的超新星
正在爆發的超新星

  12月3日消息,據國外媒體報導,黑洞比宇宙中許多物體都要古老,其數量也非常龐大。它們的起源和形成講述了宇宙的過去和未來。如果斯蒂芬·霍金看到今天科學領域中與黑洞相關的研究進展,他將會非常高興。他的夢想和願景不僅是理解黑洞的整體功能,還包括對黑洞進行真切的觀測。

  畢竟,霍金不僅重新了定義先前有關黑洞的假設,還使原本圍繞黑洞的純粹猜測有了一定依據。正是在他的研究基礎上,今天的物理學家才能取得一系列重大進展。“黑洞”這個詞本身可能會在你腦海中引發一系列聯想,讓你以為這是一種致命的天體,能帶來潛在的災難。然而,我們仍然無法完全領略黑洞的真正美麗之處和強大的力量。接下來,讓我們試著走近宇宙中這些依然籠罩著神秘色彩的區域。

  什麼是黑洞?

  黑洞通常指的是宇宙空間中的一個區域,那裡的引力非常巨大,無論是物質還是輻射,甚至光,都難以從黑洞內部逃脫出來。也正因為如此,我們無法直接看到它們。

  黑洞產生的最常見原因是恒星的死亡。因此,儘管不可能看到黑洞,但我們可以使用非常先進的望遠鏡來觀察黑洞鄰近恒星的結構和行為。當這些恒星靠近黑洞時,它們會表現出很不一樣的行為。

  黑洞的組成

黑洞的事件視界與周圍的吸積盤
黑洞的事件視界與周圍的吸積盤

  首先我們要瞭解什麼是“事件視界”。這是一種時空的曲隔界線,也可以認為是黑洞的邊界。旋轉黑洞的事件視界分為外部視界和內部視界;非旋轉黑洞也稱為史瓦西黑洞,內外視界重合。越過事件視界時,黑洞能有效地將落入其中的物質質量轉化為能量。事件視界的概念最早由18世紀英國自然哲學家約翰·米歇爾提出,後來由沃夫岡·林德勒確定為專門的術語。

  關於黑洞的另一個有趣概念是“奇點”,即黑洞整個質量在空間和時間上集中的一點。在這一點上,物質被壓縮為體積非常小的點,密度極高,向內吸引力極強。按照廣義相對論,只要形成一個無自轉的史瓦西黑洞,其事件視界內的物質必然在引力作用下坍塌稱一個密度無限大的點,即奇點。目前已知的物理定律會在奇點失效,單個實體也失去了意義。

  黑洞是如何形成的?它們的大小如何?

  雖然大多數科學家認為,第一批黑洞是在宇宙最初開始膨脹時出現的,但後來的“恒星”黑洞則是在超大恒星的核心坍縮時形成的。不過,超大質量黑洞被認為是與它們所在的星系同時形成的。

  大多數黑洞(如果不是所有的話)都有一個共同點,那就是它們在母恒星死亡後所經曆的路徑。當恒星的燃料耗盡時,發生的第一個過程是氫轉化為氦,然後當氫耗盡時,氦進一步燃燒並轉化為更重的元素。由於恒星核心的質量很大,可以使坍縮過程無休止地進行下去,最終形成密度高到無法想像的黑洞。

  黑洞的大小範圍非常驚人!有些黑洞(微型黑洞)只有一個原子那麼小,而有些則非常龐大,甚至可以一口吞噬整個星系,能夠將大約100萬顆恒星聚攏在一起。

  我們如何定位黑洞?

黑洞奇點的可視化圖像
黑洞奇點的可視化圖像

  這個問題乍看起來似乎很荒謬,有人會說,如果光都無法從黑洞中逃逸的話,我們怎麼可能定位黑洞?然而,通過仔細觀察黑洞的特徵,科學家已經有好幾種方法對它們進行遠距離精確定位。

  第一種方法是密切關注黑洞的引力作用。任何黑洞都會導致鄰近的實體向它靠近,並環繞在黑洞周圍,最終落入稠密的單向路徑。雖然這個方法聽起來很簡單,但並不實用,因為它在很大程度上需要依賴運氣。許多其他現象也會對恒星和行星產生類似的影響,因此這隻是一種試驗性的方法。

  第二種方法包括尋找可能的X射線信號。當物質落入黑洞時,會聚集在一個密集的環狀結構中,就在事件視界處。在某些情況下,極高的能量會轉化為輻射釋放出來,使得尋找這些宇宙中的龐然大物成為可能。

  宇宙中有多少個黑洞?

  黑洞的密度會隨空間屬性的變化而變化,比如星系的類型,以及星系中發現的恒星類型等等。為了估計某個星系中黑洞的數量,我們需要對其中的塵埃和氣體形成進行敏銳的觀察。相鄰兩個黑洞的行為很大程度上受到彼此引力的影響,這反過來限制了兩個黑洞之間的距離。

  科學家估計,在可觀測宇宙中,在我們能感知的範圍內,大約有100萬億個黑洞。這個數字看起來很大,但其中只有100到200個黑洞得到了準確定位。

  例如,科學家已經發現了超大質量黑洞和類星體如1ES 2344+514、天爐座A(Fornax A)的存在;HLX-1是目前已知光度最高的超亮X射線源,被認為是一個中等質量黑洞;此外,科學家還發現了GX 339-4/V821 Ara等恒星黑洞。

  除此之外,研究者還提出了黑洞系統的概念,它指的是在一定範圍內存在不止一個黑洞。這些系統具有獨特的屬性,要麼來自於系統中最大的黑洞,要麼是所有黑洞屬性的綜合結果。

  我們如何估計黑洞的數量?

  想要估計宇宙中黑洞的近似數量,第一步是根據某些特徵(比如與某個星系或恒星的靠近程度)來劃分區域。通過觀察同一組屬性,並將其應用於同一區域的不同點,就可以估算出平均的黑洞數量,這其中可以有10到20個黑洞的誤差。

  下一步是尋找多個關鍵區域之間的相似性,並將黑洞歸類為超新星、類星體等。由於每一種類型的黑洞實體都具有非常截然不同的特徵,因此在一定範圍內找到更多相同類型的黑洞實體是可能的。

  關於黑洞的研究一直在不斷擴展。要理解黑洞所有的奧秘,可能需要許多人一生的時間。這是一場艱難的冒險,但可以告訴我們更多關於宇宙未來和過去的信息。或許只有時間才能證明科幻作品中所描繪的場景是否真實。(任天)

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽