书城科普青少年应知的100个天文学常识
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第72章 黑洞奇观(上)

 黑洞的提出

根据奥本海默在1939年的说法,大质量天体坍缩到某一临界体积时,会形成一个封闭的边界,强大的引力使界外的物质和辐射只能进入,不能逸出,消失在黑暗中,这便是所谓黑洞。黑洞的理论是优美的,但我们目前还无法观察到孤独的黑洞。对黑洞的认识,可能会给人类的物质观、运动观带来巨大的变革。

有人认为,黑洞中可能既没有空间,也没有时间,那里存在时空隧道,是进行星际飞行的走廊。

如果宇宙中确实存在黑洞的话,那它像饥饿的无底洞,永远也填不饱。因此有人又把它叫做“星坟”。

 黑洞的物理研究

相信大家对逃逸速度一词并不陌生,它是指地球表面上的火箭要飞出地球的引力控制所必须具有的速度,其大小为11.2千米/秒。其数学表达形式为:

V-逃=2GMR其中G是万有引力常数,其数值为:

G=6.67×1011牛顿·米+2/千克+2

M是地球的质量,R是物体至地心的距离。

假定地球的半径由于某种原因缩小到原来的1/4而质量不改变,那么其表面的引力就会增强到原来的16倍,此时所要求的逃逸速度是22.4千米/秒。为了理解引力坍缩,我们设想将地球的周长从40 000千米缩小到10千米,这时火箭的速度要达到708千米/秒才能逃出地球。如果进一步把地球周长缩小到5.58厘米,则逃逸速度就达到了光速——每秒30万千米。这时不要说火箭,连宇宙中速度最快的光也逃不出弹丸般的地球的引力束缚了,地球上的任何信息都不可能送到外界去了。从外面的世界看来,它已经死了,只留下一个周长为5.58厘米的“墓穴”。

黑洞的边界也就是外界观测者视线的边界,所以叫做视界。黑洞的半径就是其引力半径。

根据上式,令V+逃为光速c,则可得引力半径R-g为:

R-g=2GMc+2

从上式中可以看出,引力半径同质量成正比。引力半径R-g的物理意义是:如果某天体的半径R小于其对应的R-g,则此天体发出的光也逃不出去。注意,黑洞的视界并不是物质面,它的物理意义是指外部观测者(R>R-g)不可能知道其内部(R<R-g)的任何信息。

天体紧缩到光线不能往外逃逸所要求的临界半径称为史瓦西半径。太阳的这种半径大约为3千米,就是说如果把太阳物质紧缩到半径为此值或更小的一个球内,它的光线就休想往外逃逸了。任何物体的史瓦西半径都可以算出来。质量愈小,这种半径也愈小。对应于一个人体质量的史瓦西半径实在微小,如果用厘米为单位来表示,就是小数点前面一个零,小数点后面要先来21个零才出得来非零数字。如果把一个人的质量挤紧在如此小的半径范围中,光线就不能由此人逃逸到外界了。

我们还可以观察一颗10倍太阳质量恒星变成黑洞的过程:

这颗星经过约3000万年的核燃烧,核燃料已经烧尽。由于它质量很大,电子和中子简并压力都阻挡不住这样的坍缩,坍缩由慢变快。由于恒星表面引力场强的增高,根据业已证实的广义相对论预言,星体表面上以某个角度发出的光会沿弯曲的轨迹运动。随着坍缩的进行,轨迹的弯曲会日益严重。在星体收缩到1.5倍引力半径之前,表面发射的光都能逃脱到外界空间去;但是在此之后,表面按切线方向射出的光将被俘获在星体上空的一层球状云中,然后再慢慢泄漏出去。所以远处的观测者在坍缩过程的以后阶段,始终能看到这颗星在1.5倍引力半径时的光圈。当星体继续坍缩进入引力半径时,便没有光子可以逃出去了。然而远处的观察者并不会看到它突然消失,因为当这颗星进入1.5倍引力半径以后,被俘获在光子云中的光还在逐渐泄漏出去;而在星体进入引力半径前夕,垂直于星面发出的光也在冲破引力的束缚,慢慢泄漏出来。由于这部分光要摆脱较强的引力,从而失去较多的能量,并且光的强度衰减得很快,所以实际上将看到这颗星在逐渐变暗变红的过程中消失掉。

由于引力坍缩而成为黑洞的星体进入引力半径之后,将会发生什么情况呢现有的物理学知识告诉我们,引力半径内的物质和辐射将会被无穷大的引力压缩到无穷大的密度,这就是所谓“奇点”状态。如果一个理论出现了奇点,就意味着它的破产。这说明,在奇点附近这样极端的物理条件下,我们现有的理论是不能应用的,必须用新的理论来描述。物理学发展到这一步,也希望数学上有新的突破。

 寻找黑洞

追溯起来,黑洞概念并不是新的,法国著名的数学家拉普拉斯早在1789年就已经预言过了。他认为,假如有一个天体,它的密度或质量达到一定的限度,我们就会看不到它了。因为光没有能力逃离它的表面,也就是说,光无法到达我们这里。不过黑洞引起科学家普遍关注,还是在爱因斯坦广义相对论公布之后。人们根据爱因斯坦的理论,就黑洞存在的条件及形成原因等问题,进行了探索。直到1965年测到的一束来自白天鹅星座的X射线,才真正打开了人们探测黑洞的大门。这一奇特的天体,被当时的天文学家命名为“天鹅座1”。经研究证实,这是一个明亮的蓝色星体,它还有一颗看不见的伴星,质量要比太阳大20倍。又过了几年,科学家根据“天鹅座1”发射出来的强射线,找到了编号为HDE-{22}6868的星体,它就是X射线的射线源。这是一个巨大无比的星体,质量为太阳的30倍,它围绕另一颗星高速运转。后经研究认为,X射线不是从HDE-{22}6868上发射的,而是由绕它运行的伴星上发射的,通过计算,这颗伴星质量是太阳的8倍,但看不到它的位置。到目前为止,这是黑洞最理想的候选者。

时至今日,虽然黑洞还没有被真正捕捉到,但人们对黑洞的存在却是确信无疑的,也许一些星团的中心就是黑洞,大概银河系中心就是一个大质量的黑洞。除了大黑洞之外,很可能还存在比小行星还要小的黑洞。甚至还有人认为地球上也存在黑洞。这些还都属于假说,但总有一天,人们会揭开黑洞的神秘面纱。