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第4章 宇宙的垃圾场——黑洞学习篇(4)

米勒发现,这个黑洞体依靠强大的磁场引力,不断吸收周围星体的物质(气体与灰尘)进入自己的圆盘。在此过程中,这些物质开始脱离原本的运行方向,并向黑洞偏离,由此形成“角动量”(描述物体绕轴运动的物理量),也就是说,黑洞可以由此源源不断地吸收物质和能量。被改变方向的气体,使黑洞周围逐渐形成一个个越来越大、被称做“加速区”的圆环,这个环就像土星环一样。在“加速区”里,大量炽热气体绕着黑洞旋转。“吞”:一层层气体旋风围绕黑洞打旋,使大部分的热气以螺旋形,向黑洞内部扩展,约有30%的气体被驱散到宇宙中。“吐”:J1655黑洞驱动的磁场风,因磁场压力使气体向圆盘上和向圆盘外扩张,带走能量。

随着物质越吸越多,黑洞必须把圆盘上的物质转移走,以便为持续涌进的物质能量提供足够的空间。打个比方说,就像一个巨大的水车。黑洞必须在吸收物质的同时,释放出相应的能量。

30多年来,科学家们一直认为,圆盘内磁性物质之间产生摩擦,使圆盘从内向外形成风流,并使外部气体向内扩散。气体和尘埃就这样被吸进黑洞。

当圆盘被这些物质的摩擦力所压缩时,就会使圆盘发热,并释放X射线。事实上,除了摩擦力外,磁场风也能帮助黑洞释放物质能量。旋转的磁场风在“加速区”中,可达到每秒500千米的高速度,部分物质能量因此被它“驱赶”回宇宙空间。最终,分子摩擦和磁场风,使吸入黑洞的物质能量和被释放的物质能量,得以保持平衡。

9.黑洞的寿命

黑洞并不是永恒的,它也会因为某种辐射而从宇宙中蒸发,消失在星空中。一般黑洞被蒸发掉的时间很难估量,但一些小黑洞几乎是瞬间就被蒸发掉了。由霍金依据量子力学所揭示的微型黑洞的基本特征,即以黑体辐射形式的质量蒸发,这看起来是探测这类黑洞的主要希望之所在。

由密度涨落理论可以知道,低质量黑洞只能在宇宙早期形成,而黑洞的质量越小,蒸发得就越快,所以黑洞的寿命与其质量的立方成正比。质量为100万吨的黑洞,能存在10年。只有那些寿命比宇宙年龄(150亿年)长的微型黑洞,才能维持到今天。这些“与天同寿”的黑洞的初始质量最少都有10亿吨,这大约是一座山的质量,而黑洞半径只有质子大小。

质量更大的黑洞的蒸发时间,就比宇宙年龄要长得多,因为黑洞的蒸发是一种量子现象,只发生在与基本粒子直径相当的极小尺度上。因此,对于那些质量比一座山大的黑洞来说,蒸发无关紧要,因为无论这些黑洞是在宇宙早期形成的,还是后来在超新星爆发时形成的。这些黑洞质量增大的速率都超过蒸发的速率。

从理论上讲,由于黑洞有辐射,能辐射的物体都有寿命,所以可以推测黑洞也是有寿命的。辐射程度和质量成反比,只有黑洞质量无穷大时,才不具有辐射,但实际上并没有可能,所以虽然黑洞越大,寿命越长,但它的寿命终究有限。

10.黑洞会吞噬地球吗?

在科幻小说中,地球逐渐被黑洞吞噬,以致人类世界毁于一旦。

然而这一切并非只在科幻小说中才出现,事实上危险正在逼近。据纽约美国自然历史博物馆海登天文馆馆长尼尔·德格拉斯·泰森表示:“如果我们遭黑洞袭击,对于太阳系来说,这将是一个不幸的时刻。”

庞大的银河系中,存在着数10亿颗恒星。每一颗恒星,都处于生命周期中不同的点。如果按常规推测,每天至少有一颗恒星死亡。

一些质量巨大的恒星,在其生命的最后时刻,会发生塌陷并最终演化为黑洞。

拥有巨大引力的黑洞,充当无形的宇宙真空吸尘器,吞噬所到之处的一切物体,就连光线也无法逃离它的魔爪。

如果一颗流浪星际的黑洞,逼近太阳系并且向地球进发,科幻小说中描写的人类浩劫,将会成为现实。地球将冲出它的轨道,脱离太阳系,或是朝相反的方向,飞向太阳,致命的高温,将地球上的一切生灵,化为灰烬。无论是哪一种情况,一旦黑洞逼近地球,人类家园将被无情毁灭,难逃被吞噬的命运。

11.宇宙黑洞快速成长的原因

黑洞可以吸收宇宙中的各种射线,并且利用这些射线所含的能量向外扩张。由于宇宙中的黑洞拥有庞大的质量,这质量一般都相当于10亿颗太阳,它们存在于我们视觉不能够看到的宇宙的边缘之外地区。黑洞在吸进物质的同时,也会从中心向外产生两股方向分别相反的物质射流,这两种射流在它的南北极方向。黑洞本身是不可见的,但是其中蕴涵物质和射线之间的摩擦产生高温,而且物质在被黑洞吞噬的过程中,会发出大量X射线。由于黑洞中的射线,要经过相当长的时间才可以到达地球,所以我们所观测到的黑洞,实质上是其很久以前的状态。直到现在,天文学家们都还不能解释黑洞形成的这一问题。有一种理论认为,早期的宇宙在某些区域可能超出了“埃丁顿”界限(一个限制宇宙中物质成长速度的界限)的范围,导致了黑洞的快速成长。黑洞之所以能够打破这一界限,是因为它“吞噬”其他物质的速度太快了,而且通过吞食其他的物质,还增长了黑洞的能量,形成一个恶性循环,从而造成了黑洞的快速生长。

12.黑洞的旋转方向

黑洞,既然是恒星发展的一个终态,当然它的旋转方向,就和原恒星自转方向一致。黑洞的形成,由恒星形成,严格地说,这是一种假说,其旋转方向,由恒星自传方向和吸引物质的质量大小,以及速度大小和方向决定,但黑洞也有可能彼此吸引,形成更大的黑洞,它的旋转方向,就较复杂(可以肯定的是没有黑洞不旋转),也就是说,影响黑洞自转的因素有很多,关键是看哪些是主要的,还要看哪些是单恒星的、多恒星的、两个以上黑洞形成的。我们就是希望知道,在这种假设下,能分析出多少影响它自转的因素。

13.黑洞动力学

为了理解黑洞的动力学及它们如何使内部的所有事物不能逃出边界这样的问题,我们首先需要讨论广义相对论。

广义相对论,是爱因斯坦创建的引力学说,适用于行星、恒星,也适用于“黑洞”。爱因斯坦在1916年提出来的这一学说,说明空间和时间,是怎样因大质量物体的存在,而发生畸变的。简言之,广义相对论学说认为,物质弯曲了空间,而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动。

再让我们看一看爱因斯坦的模型是怎样工作的。首先,考虑时间(空间的三维是长、宽、高)是现实世界中的第四维(虽然难于在平常的三个方向之外,再画出一个方向,但我们可以尽力去想象)。

其次,考虑时空是一张巨大的绷紧了的体操表演用的弹簧床的床面。

爱因斯坦的学说认为,质量使时空弯曲。我们不妨在弹簧床的床面上,放一块大铅球,来说明这一情景:铅球的重量,使得绷紧了的床面,稍微下沉了一些,虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的,但其中央仍稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更重的铅球,则将产生更大的效果,使床面下沉更多。事实上,铅球越多,弹簧床面弯曲得越厉害。

同样的道理,宇宙中的大质量物体,会使宇宙结构发生畸变。

正如10千克铅球比1千克铅球使弹簧床面弯曲得更厉害一样,质量比太阳大得多的天体,比等于或小于一个太阳质量的天体,使空间弯曲得厉害得多。

如果一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧床上滚动,它将沿直线前进。反之,如果它经过一个下凹的地方,则它的路径呈弧形。同理,天体穿行时空的平坦区域时,继续沿直线前进,而那些穿越弯曲区域的天体,将沿弯曲的轨迹前进。

现在,再来看看黑洞对于其周围的时空区域的影响。设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的铅球,代表密度极大的黑洞。自然而然地,石头将大大地影响床面,不仅会使其表面弯曲下陷,还可能撕裂床面。类似的情形同样可以在宇宙中出现,若宇宙中存在黑洞,则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的破裂,叫做时空的奇异性或奇点。

现在我们来看看,为什么任何东西都不能从黑洞逃逸出去。正如一个滚过弹簧床面的网球,会掉进由大铅球所撕裂的深洞一样,一个经过黑洞的物体,也会被黑洞引力陷阱所捕获。而且,若要挽救运气不佳的物体,需要无穷大的能量才能做到。

14.黑洞最新的研究成果

美国航空航天局银河系形成过程探测小组的科学家们研究发现,在某些巨大的星系中,特大质量的黑洞,营造出一种敌对的环境。

在这种环境中,许多新星的形成,被无情地压制了。科学家们利用在太空轨道中的探测卫星,对距离我们较近的800余个不同的星系进行了探测,发现了许多迷人的景象,其中包括质量超巨的黑洞、形态各异的星系等。科学家们同时发现,在那些拥有超级黑洞的星系中,几乎没有新星。天文学家们认为,造成这一现象的原因,是由于超级黑洞的存在。

此前,天文学家们曾认为,黑洞对于恒星的诞生,起着非常重要的作用,但是他们并没有足够的证据来证实这一理论。科学家们从2003年开始,对银河系形成过程进行研究。这项研究工作的结果,推翻了上述理论。因为科学家们使用了灵敏度极高的紫外线探测器,可以探测到年轻的星体散发出的微弱的紫外线。

科学家们称,黑洞往往位于一个星系的中心,其周围聚集着许多高密度的物质。随着时间的推移,黑洞和它所在的星系,都会不断地成长壮大,但是它们成长的速度,却是不一样。

在椭圆星系中的黑洞,会散发出一种临界物质,阻止新星诞生。

换句话说,一旦黑洞的能力范围波及整个星系的话,那么在这个星系中,就不大可能诞生新的恒星了。根据这个“反应”理论,黑洞的存在不仅阻止了新星的诞生,同时也减缓了星系成长的速度。

我们不禁要问,为什么黑洞会起到这样的作用呢?科学家们分析后认为,大致有两个原因:第一个原因是黑洞中喷发出的强烈风暴,会破坏可能形成恒星的物质的聚合,使它们处在相对分散的状态中,加大了新星形成的难度。第二个可能的原因,是因为黑洞周围聚集了许多的气体物质,其中有很多是高温气体,这些气体的温度太高了,以至于影响了整个星系,星系里的新星在其周围无法聚集在一起,增加了新星形成的难度。

15.人类研究黑洞的意义

探索黑洞的方位,对我们人类来说极为重要,不仅在科学学术上,而且对于人类生活,也有影响。由于黑洞产生的吸积盘,是由带电粒子组成的,所以在它运动时,产生了磁场。大家知道,当运动的磁场,通过一个导体时,就会产生一个电动势。在这里的情况也如此,我们有一个转动的黑洞,与一个巨大的磁场,从而在黑洞两极至赤道间,产生一个巨大的电动势,可达10亿亿伏!这是一个惊人的能量,这是一个技术问题,等待人类以后去开发与利用吧!

以上这些内容,是我们对黑洞的初步探究,希望大家多提宝贵意见,来完善我们对黑洞的认识。希望以后有更多的同学投身于天文学与天体物理中,去感觉宇宙的巨大,去探索宇宙的奥秘,去体验宇宙的奇特!

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