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     一颗正在被黑洞撕碎的恒星一颗正在被黑洞撕碎的恒星

    新浪科技讯 北京时间5月28日消息,据国外媒体报道,天文学家米斯蒂·本茨(Misty Bentz)指出,黑洞“并不是一台在宇宙中到处转悠、把一切都吸进肚子里的吸尘器,它们利用引力的方式和其它天体其实别无二致。”

    与许多人想象的“吸管”不同,黑洞只是由于体积极大、密度极高,因此引力极强,任何物质都无法从中逃脱。

    近年来,黑洞屡屡出现在新闻上。比如在银河系中央的超大质量黑洞周围发现的恒星群,或者成长速度极快、每两天就多出一个太阳质量的黑洞,又比如早在宇宙黎明时期就形成的最古老黑洞。从诞生到消亡,黑洞始终是宇宙中一种神奇的存在。本文将为你详细介绍黑洞一生的故事。

    诞生

    黑洞的诞生源自恒星的死亡。当一颗质量至少为太阳10倍的恒星燃料耗尽后,即所有的氢都已聚变为氦、所有的氦又已聚变为碳、氧等其它元素后,黑洞便会随之形成。恒星只剩下金属内核后,便无法继续发生核聚变,恒星的生命也就走到了尽头,在一场剧烈的爆炸中谢幕。爆炸时,外层物质被抛离出去,内核则向内坍缩。

    “如果恒星的质量足够大,比如内核质量超过太阳的三倍,死亡后就会坍缩为黑洞。由于这类黑洞的质量接近恒星,我们称其为恒星质量黑洞。”美国乔治亚州立大学天文学家米斯蒂·本茨指出。

    恒星死亡,黑洞诞生,这种联系在宇宙中十分常见。恒星与黑洞有着密不可分的关系,在宇宙中恒星更新换代频繁的区域尤其如此。

    “在死去的恒星附近很容易发现正在形成的新恒星,因为质量最大的恒星往往活不长久,”本茨解释道,“恒星寿命与质量有关。质量最大的恒星寿命比其它恒星短得多,因为燃料消耗得过快。”

    黑洞的诞生也能促进新恒星的形成。本茨称其为“大规模回收项目”。当一群新恒星形成时,其中质量最大的恒星会迅速死亡,以爆炸的形式告别其短暂的一生。“爆炸产生的冲击波会压缩更多气体和尘埃,从而促进更多恒星形成。接着,这些恒星中质量最大的那颗也会很快爆炸,产生新的冲击波,再形成新的恒星。新恒星的诞生与旧恒星死亡产生的链式反应息息相关。”

    但恒星质量黑洞还不算什么,超大质量黑洞的起源远比其诡异得多。此类黑洞常见于星系中央,银河系也不例外,且形成过程与其它较小黑洞略有不同。

    “超大质量黑洞的质量可能高达太阳的数百万、甚至10亿倍。但它们并非生来就如此体量惊人。问题是,它们是如何形成的?又是如何长到这么大的?”纽约皇后社区学院理论天体物理学家吉利安·贝罗瓦里(Jillian Bellovary)指出。

    就天文学家所知,超大质量黑洞约形成于130亿年前,可迅速成长为极大的黑洞。贝罗瓦里表示:“我们已经发现了质量达太阳数十亿倍的黑洞。它们诞生得非常早,这一点就很奇怪,因为我们不知道那么小的空间中怎么会有这么多的质量。”

    “这有点像‘先有鸡还是先有蛋’的问题,”本茨指出,“在宇宙形成初期,一些密度过高的区域可能通过直接坍缩形成黑洞。也许这些物质刚开始是在引力作用下发生坍缩的,随后不断坍缩下去,直至形成黑洞,过程中也不会形成恒星或其它天体。”

    另一种解释是,超大质量黑洞起源于早期星系中。一开始形成的黑洞较小,随后不断在星系中央合并为较大的黑洞。

    贝罗瓦里指出,这些早期超大质量黑洞的前身一开始可能体积适中,但又必须大于恒星质量黑洞,否则便无法在短时间内成长为早期宇宙中的“庞然巨兽”。

    “这些超大质量黑洞算是赢在了起跑线上,它们刚形成时便体积不小,否则来不及增长得如此巨大。因此它们刚形成时便已经是中等体积的黑洞了。”贝罗瓦里解释道。

    科学家仍在努力研究这些黑洞是如何借助早期宇宙中的炽热气体与尘埃形成的。此类物质同时坍缩时一般会形成恒星,因此早期宇宙的化学成分也许有某些独特之处,促进了早期黑洞的形成。

    “早期宇宙中的气体也许仅由氢和氦构成,因为这是宇宙大爆炸产生的唯一两种元素,其它元素都是在恒星内部形成的。如果当时尚未形成恒星,就不会有其它元素。早期宇宙的这一化学构成,再加上气体的运动(或缺少运动),也许激发了早期宇宙中黑洞的诞生。”

    中等质量黑洞都藏到哪里去了?中等质量黑洞都藏到哪里去了?

    成长

    黑洞的大小不会一成不变。落入其中的一切物质都无法从中逃脱,并被吸收为黑洞质量的一部分,使黑洞不断生长。

    “无论落入黑洞中的是气体、恒星还是行星,都会增加黑洞的质量。这种一点点吞食物质的过程便是黑洞生长的途径之一。”本茨表示。

    “我们认为,吞食气体是效率最高的黑洞生长方式。”贝罗瓦里指出,“气体落入黑洞中时,就像水旋转着从水槽中流下去一样。气体被黑洞的引力吸引过去,但气体自身也会运动,因此会围绕着黑洞形成一个薄薄的圆盘,最终被吞入黑洞中。”

    吞食气体的效率的确很高,但合并也是黑洞快速成长的途径之一。黑洞相撞后,这两个看不见的巨大天体便会融为一体。科学家可借助LIGO望远镜观测黑洞合并现象。2015年,LIGO首次探测到了两个黑洞合并时产生的引力波(不过该消息到2016年才对外公布)。

    “这是我们了解到的首个不涉及光线的宇宙事件。在此之前,我们总要依赖光线和眼睛进行观测。没有了光线,我们便对宇宙一无所知。光对我们固然重要,但如今我们也能观测到无法依赖光线进行观察的宇宙事件了,比如说黑洞合并。”贝罗瓦里表示,“若不是因为引力波,我们便无从知晓究竟发生了什么。”

    超大质量黑洞与恒星质量黑洞的体积相差甚远,应当还有质量和体积介于两者之间的黑洞。唯一的问题是,研究人员至今还未观察到过这种“中等黑洞”。

    但这并不意味着中等质量黑洞不存在。许多研究人员仍在积极寻找此类黑洞。但它们很难用可见光进行探测,不像恒星质量黑洞,可以借助被撕碎的恒星来观测;也不像超大质量黑洞,它们吸收的气体、尘埃和物质极多,落入其中的粒子相撞时会发出极亮的光芒,比宇宙中我们见过的任何天体都要明亮。

    “中等质量黑洞的引力不够强,亮度也不够高。”本茨指出。并且研究人员认为,它们发射出的光线主要处在X射线波段,宇宙中也有别的天体以这一波段的光线为主,因此不够特殊。

    “很难把它们与其它天体区分开。”本茨说道,“它们也许就在那儿,只是我们很难确定无疑地说,‘这个肯定是中等质量黑洞’。”

    死亡

    无论体积如何,黑洞都会经历特定的生命阶段,即诞生和成长。但黑洞会死亡吗?霍金认为有可能,称黑洞可借助名为“霍金辐射”的物理机制逐渐灭亡。

    该理论认为,如果黑洞不再吸收其它物质,最终便可能被亚原子粒子销蚀掉。本茨是这样解释的:在宇宙各处,亚原子粒子刚刚诞生时,均以粒子和反粒子的形式成对存在。但它们形成后便会立即相撞、湮灭,回归能量形式。

    “简单来说,就是能量转化为质量,质量再转化为能量,这一过程不断循环往复。”本茨解释道,“如果该过程发生在黑洞附近,粒子-反粒子对中的一方被吸进了黑洞中,另一方则留在时间边界之外,就等于从黑洞中窃取了一点能量。这一半粒子远离黑洞时,相当于把黑洞的能量也带走了一部分。”

    如果该过程不断发生,同时黑洞没有吸收更多质量,最终整个黑洞都会被辐射掉。不过无论是恒星质量黑洞、超大质量黑洞还是中等质量黑洞,都要耗费极久的时间,才能让黑洞损耗一丁点儿。

    “哪怕在宇宙伊始就形成一个黑洞,现在宇宙经历的时间也不足以让其死亡。最早形成的黑洞可能要过1054年才会开始消亡。”本茨指出。

    这一过程之久、黑洞与亚原子粒子的体积差异之大意味着黑洞发出的霍金辐射无法被直接观测到。科学家用实验室中黑洞模拟物开展的实验显示,霍金的理论可能是正确的,但我们对黑洞的结局仍然不甚明了。

    待解之谜

    事实上,我们对黑洞的了解本来就很有限。所幸有本茨和贝罗瓦里这样的研究人员,正致力填补我们对黑洞了解的空缺。

    本茨正在研究遥远星系中央超大质量黑洞能够达到的体积上限。她还在研究黑洞体积与其所在星系性质之间的关联。她希望自己的观测结果可用于建立相关计算机模型,帮助人们分析黑洞的演变过程、以及解答与宇宙形成有关的问题。

    贝罗瓦里则在参与LISA(激光干涉空间天线)项目的设计。该项目计划于2030年后开展,届时将发射三枚探测器,分布在距地球250万公里处,构成类似LIGO的天基引力波探测装置,只不过关注重点为超大质量黑洞、而非恒星质量黑洞的合并。

    “我对该项目感到非常激动,因为它将帮助我们了解无法用光线进行观察的事物,有助于我们了解黑洞的生长过程、合并频率、质量来源(来自黑洞合并还是吸收气体)、形成方式、数量分布、以及在我们看不到的区域是否存在黑洞等信息。如果仅用光线进行观测,这些问题将永远得不到解答。”贝罗瓦里表示。

    黑洞体量惊人、神秘莫测。但有一点是研究人员可以确定的:“它们并不危险。黑洞离我们非常遥远,因此用不着担忧。”贝罗瓦里指出,“还有很多其它东西更值得我们担心。”

    本茨也赞同她的看法:“黑洞是一种极端天体,但并不可怕。”有些人害怕黑洞会在星系中横冲直撞,将附近的星球尽数吞入腹中。对此本茨表示,如果把太阳换成一个相同质量的黑洞,地球轨道根本不会受到影响。“地球仍将保持原本的轨道旋转,只不过少了太阳的光和热而已。要想被黑洞吞掉,必须靠得很近才行。但假如我们靠近太阳,下场也一样悲惨。”

    “黑洞离我们非常远,对地球构不成威胁。除非你离黑洞靠得太近,它才会变得危险起来,但到时害怕也来不及了。”贝罗瓦里说道。


    来源:新浪科技     时间:2018年05月28日

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