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    黑洞不太黑 也不是普通的洞

    时间: 2019-04-15      来源: 科技日报     



    黑洞视界附近的正反粒子对

    被黑洞拉成“意大利面条”的宇航员图片来自网络

    4月10日,一条消息让全世界物理学界为之沸腾:位于全球各地的“事件视界望远镜”(EHT)拍摄到的首张黑洞图像当日新鲜“出炉”。黑洞,这个恍若鬼魅的天体又开始霸道地侵袭我们的视野。

    它是在时间和空间中形成的“洞”,不断吞噬周围物质,增加自己的质量;它也是光子的“牢笼”;它贪得无厌,永不停息地吞噬着周围的一切……这是世人绘制的黑洞的经典图像:既霸蛮又贪吃。但真是如此吗?

    黑洞如何形成:都是引力惹的祸

    中国科学院国家天文台研究员陆由俊对科技日报记者说:“目前比较明确的是,恒星级质量的黑洞是恒星塌缩的遗骸;而大质量黑洞则可能由其他机制产生的中等质量黑洞吸积物质长大而成。”

    所有的恒星都是核聚变反应炉,核聚变过程提供了恒星一生的大部分能量。不过,最终,核燃料耗尽,由中心产生的能量再也无力对抗外壳巨大的重量,引力开始起主宰作用。

    1928年,印度研究生萨拉·玛尼安·钱德拉塞卡乘船来英国剑桥学习天文学。途中,钱德拉塞卡算出在耗尽所有燃料之后,多大的恒星可以继续对抗自己的引力而维持自己——这就是所谓的“钱德拉塞卡极限”,约为1.44倍太阳质量。

    陆由俊解释说:“这一极限值对大质量恒星的最终归宿具有重大意义。一般来说,如果一颗恒星的质量不到太阳质量的9倍,最终会形成白矮星;9—25倍太阳质量左右的恒星会演化至超新星爆发,最后塌缩为中子星;而约25倍太阳质量以上的恒星会形成黑洞。”

    当恒星收缩到某一临界半径(“史瓦西半径”)时,其表面的引力变得如此之强,以至于光线再也逃逸不出去。

    根据相对论,没有东西能行进得比光还快。如果光都逃逸不出来,其他东西更不可能:所有东西都会被引力场拉回去。这样,就出现了一个事件的集合或时空区域,光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者——这一区域被称为黑洞,其边界被称作事件视界。

    黑洞来者不拒?有些却很“挑食”

    一些黑洞是贪婪的贪食者,吸入大量气体和灰尘;而其他黑洞则很挑食。

    比如,此次EHT任务的主要目标——位于银河系中央的人马座A*黑洞似乎就很挑食,尽管其质量为太阳质量的400万倍,但它的吸积盘却出人意料地暗淡。吸积盘由气体、弥散物质等组成,围绕黑洞或中子星转动,远远看去,就像一个扁平的盘子。

    而此次EHT观察的另一个目标——M87星系中的黑洞,则是一个贪婪的食客,其质量介于35亿至72.2亿倍太阳质量之间。它不仅拥有一个非常明亮的吸积盘,而且还喷射出明亮、快速的带电亚原子粒子流,这一粒子流延伸约5000光年。

    同样是超大质量黑洞,为什么“贪吃”的程度差别如此巨大?这是一直以来困扰天体物理学家的难题。

    陆由俊解释说:“原因是不同星系核心的环境不一样。有的星系中心由于受到诸如星系碰撞过程等的扰动,气体沉积到中心黑洞附近,为黑洞提供了丰富的食物,让它们可以大快朵颐;而有的星系中心区域则比较平稳,只有少量气体能够到达黑洞附近,使得黑洞不得不浅斟慢酌。”

    黑洞只可远观:把人变成“面条”

    尽管人们对黑洞的热情高涨,但其只可远观而不可接近,否则后果很严重。简单来说,如果你和黑洞靠得太近,你就会像意大利面一样被拉长。这一现象有个极富创意的名字“意大利面条效应”。之所以会产生这种效应,是因为人体各处受到的引力大小不同。

    如果你两脚朝下飞向黑洞,由于你的脚离黑洞更近,它受到的引力将比头部受到的引力要大。更糟糕的是,由于胳膊并非位于身体中心,它们被拉长的方向会与头部的朝向稍有不同,你身体的边缘部位会被拉进身体里。最后的结果是,你的身体不仅被拉长了,而且还变细了。因此,还没等你(或其他物体)抵达黑洞中心,你就早早地变成了一根“意大利面条”。

    并非“永恒牢笼”:信息可从中逃逸

    经典黑洞理论认为,任何物质和辐射都不能逃离黑洞;而量子力学理论表明,落入黑洞的信息可以重新获取。这个所谓的“信息悖论”已困扰科学界40年。

    2016年1月,霍金等人提出:落入黑洞的粒子的信息部分并没有消失,有些信息会以不同的形式释放出来,只不过很难还原和破解。

    其实,早在此前的2015年3月,霍金就对黑洞理论进行了修改,宣称黑洞实际上是“灰色的”。新“灰洞”理论称,物质和能量被黑洞困住一段时间后,又会被重新释放到宇宙中。霍金还指出,黑洞并非“永恒的牢笼”,某些信息会以不同的形式释放出来。

    之后,霍金同哈佛大学的安德鲁·施特勒明格、剑桥大学的马尔科姆·佩里提出了新理论:让信息逃逸的黑洞裂口由“柔软的带电毛发”组成,它们是位于事件视界的光子和引力子组成的粒子,这些能量极低甚至为零的粒子能捕获并存储落入黑洞的粒子的信息,就像人的鼻毛能捕获灰尘一样。这意味着,尽管落入黑洞的粒子可能已“有去无回”,但部分信息存储在这些“柔软毛发内”,持续在黑洞边界逡巡。

    霍金解释说:“我认为,信息不像大多数人以为的那样被存储在黑洞内部,而是被存储在事件视界。进入黑洞的粒子的信息确实返回到空间了,但采用一种混沌且无用的形式。返回的信息与烧焦的百科全书差不多,从理论上来说,信息并没有丢失,但很难进行翻译和破译。”

    黑洞终极命运:或随时间蒸发殆尽

    1973年霍金在弯曲时空量子场论的研究中发现,原来“黑洞不黑”!原本经典理论上“一毛不拔”的黑洞,在黑洞量子力学中也可以通过一定的机制发射黑体辐射,这就是霍金辐射!

    尽管霍金的这一想法刚提出时受到了普遍的质疑,但后来,大部分科学家得出结论称:如果我们关于广义相对论和量子力学的其他观念是正确的,那么黑洞必须像热体那样发射粒子和辐射。

    但我们又知道,任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来,黑洞怎么可能发射粒子呢?量子理论给我们的回答是,粒子不是从黑洞里面出来的,而是从紧靠黑洞事件视界之外的“空虚的”空间来的。

    霍金在《时间简史》中解释称,“空虚的”空间充满虚粒子—反虚粒子对。它们一同创生,彼此分离,然后再回到一起并且湮灭。如果黑洞存在,带有负能量的虚粒子落到黑洞里可能会变成实粒子或者反实粒子。这种情形下,它不再需要和它的伴侣相互湮灭了。它被抛弃的伴侣可以落到黑洞中去。或者由于它具有正能量,也可以作为实粒子或反实粒子从黑洞的邻近逃走。

    而且,黑洞的质量越小,其温度就越高。这样,随着黑洞损失质量,它的温度和发射率增加,导致其质量损失得更快。因此,小质量的黑洞,霍金辐射强,它们蒸发速度快,一个质量为1015克的黑洞被蒸发掉所需的时间与宇宙的年龄相仿。

    由于逃离黑洞的辐射过于捉摸不定,因此“霍金辐射”很难得以证实。不过,据国外媒体2016年4月底报道,来自美国和以色列的两个独立研究团队称,他们发现了足以支持“霍金辐射”理论的明确证据,但相关研究仍有待进一步证实。

    物理学界的江湖流传着很多关于黑洞的传说,孰真孰假,唯有等待时间和科学来检验。(记者 刘霞)

    责任编辑: 史娜

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