连光都不放过的吞噬者——黑洞

作者:    所在单位:中国科学技术大学

少年,你相信光吗?(此时,中二少年可能会大喊“迪迦”!)

可能大多数人会对我的这个问题感到不解:光遍布我的生活,白天有阳光(天气较好的情况下),夜晚有灯光,我为啥不相信光啊?再说了,眼见为实,光是我确确实实亲眼看到的。相信各位都觉得打开开关,光马上就从灯管里“咻”的一下冒出来是理所当然的(除非停电了或者灯泡坏了)。但各位有没有想过,光也可以被“吃掉”呢?

这就要引出我们的主角——黑洞(噔噔噔,俺闪亮登场)了。相信大家都或多或少地了解或听说过黑洞(果(如果没听过,就把它想象成一个黑色的洞吧)黑洞英文名叫black hole(果然是黑色的洞)。

对人类而言,黑洞是先“算出来”而不是看到的,很不可思议吧。1916年德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦方程的一个真空解。这个解表明,如果一个静态球对称星体实际半径小于一个定值,其周围会产生奇异的现象,即存在一个界面——“视界”,一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱。这个定值称作史瓦西半径,这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。(具体怎么算出来的咱也不用了解,大佬的世界我们不懂~)北京时间2019年4月10日21时,人类首张黑洞照片面世,  该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍 ] 。北京时间2021年3月24日晚10点,偏振光下M87超大质量黑洞图像公开   。

北京时间2022年5月12日晚9点,事件视界望远镜合作组织正式发布了银河系中心黑洞人马座A*(Sgr A*)的首张照片。

先引入我们眼睛看到事物的原理:当某某物体的光进入到我们眼里,我们的眼睛便会把光信号传到大脑中,大脑进行分析处理后我们便能看到那个物体。上文说到,连光都无法逃脱黑洞的引力,那么光被吸走了,我们是怎么看到黑洞的呢?其实很简单,举个例子,我们拿出一张白纸,相当于一阵光,再在白纸上滴几滴墨水,不就把光“遮”住了嘛,墨水形成的图案便可理解成黑洞。意思就是黑洞我们看不见,但是黑洞外的光我们是可以看见的,所以一大片光中间黑的看不见的地方就是黑洞。

那么,黑洞是怎么产生的呢?(不可能和孙悟空一样从石头里蹦出来的吧)还真别说,黑洞真是由“石头”变来的。首先我们要理解万有引力的概念。大家都知道,牛顿被苹果砸了发现了万有引力定律,那么它的具体内容是什么呢?简单来说,就是有质量的两个物体会相互吸引,质量越大,距离越近,引力就越大。比如人很“轻”,太阳和地球很“重”,所以太阳吸引着地球,让其围绕着自己转动,而人与人之间就不会相互吸引(我指的是物理上的相互吸引哈)。弄懂了引力的概念;那么接下来就可以理解黑洞的产生了。

黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程:某一个恒星在准备毁灭,核心在自身重力的作用下迅速地收缩,塌陷,发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星体,同时也压缩了内部的空间和时间。但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,连中子间的排斥力也无法阻挡。中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高质量而产生的引力,使得任何靠近它的物体都会被它吸进去,包括光。

神龟虽寿,犹有尽时。万物有生必有灭,那么黑洞是怎么灭亡的呢?我们知道水撒在地上不一会就蒸发了(当然只是一点点啊),其实黑洞也会蒸发。我们知道,光也逃脱不了黑洞的引力。但凡事总有漏网之鱼,有的粒子仍有可能出去,久而久之,黑洞就蒸发得干干净净了。有的黑洞毁灭时甚至会爆炸。

黑洞还有些神奇的“魔术”。在地球上,由于引力场作用很小,时空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周围,时空的这种变形非常大。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。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。

更有趣的是,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的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”,还同时看到它的“侧面”、甚至“后背”,这是宇宙中的“引力透镜”效应。

本来只有外星正面的光能射到地球,即我们只能看到外星的正面。但如果有黑洞的干扰,本来直线传播的光被黑洞的引力“带偏了”,导致外星侧面甚至后面的光线都能射到地球上,我们也有幸得以看到外星的全貌了。

最后讲讲黑洞的分类

按物理性质划分

黑洞

根据黑洞本身的物理特性质量,角动量,电荷划分,可以将黑洞分为四类:

不旋转不带电荷的黑洞:它的时空结构于1916年由史瓦西求出,称史瓦西黑洞。

不旋转带电黑洞:称R-N黑洞。时空结构于1916至1918年由赖斯纳(Reissner)和纳自敦(Nordstrom)求出。

旋转不带电黑洞:称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。

旋转带电黑洞:称克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。

按大小还可以分成大型黑洞、超大黑洞、恒星级黑洞、黑洞盛宴等等,这里对各黑洞的划分依据和相关性质就不做介绍了,有兴趣的读者可以自行搜索了解。

最后呢,给大家放几张黑洞的照片欣赏

有关黑洞,还存在着浩如星海多的未知,希望在未来,人类可以实现真正的星际航行。望我们永远充满好奇,勇于探索。

(以上材料均来源于百度百科,本人对黑洞的认知很浅,如有错误,敬请指正)