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【解放日報】宇宙中有多少黑洞?黑洞會消亡嗎?

文章來源:  |  發布時間:2019-04-11  |  【打印】 【關閉

  
   昨天晚上,首张黑洞照片问世。比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿六地共同发布这一重大成果。

  黑洞會消亡嗎?黑洞附近的時間會變慢嗎?爱投彩票网國家天文台苟利軍研究員接受了記者的專訪。

  爲何一個世紀沒拍到黑洞

  “大家不要忘了,我們的肉眼是看不見太赫茲波段的,因此黑洞的照片可能是灰度圖像,也可能是假色圖片。”苟利軍介紹,黑洞“照片”與傳統意義的照片還是很不一樣的,普通照片拍攝的是可見光波段,而此次事件視界望遠鏡拍攝的是太赫茲波段,也就是亞毫米波段。

  爲何長達一個世紀都沒能拍到黑洞照片?“這是因爲需要比哈勃太空望遠鏡還高出2000倍分辨率的望遠鏡,而之前的望遠鏡沒能做到。這次位于南極、智利、墨西哥、美國夏威夷、美國亞利桑那州、西班牙的8台亞毫米射電望遠鏡同時對黑洞展開觀測,利用甚長基線幹涉測量技術(VLBI),相當于構建成一個口徑等同于地球直徑(1萬多公裏)的望遠鏡。

  從2017年4月5日至14日,事件視界望遠鏡對銀河系中心和星系M87(距離地球5500萬光年)中央的超大質量黑洞進行拍攝。這兩個黑洞的視大小是目前發現的黑洞中最大的兩個,在分辨率有限的情況下,越大越容易看到細節。“由于地球每天都圍著太陽轉,因此拍攝位置特別講究,只有運行到某些地方,才能保證8個望遠鏡同時能看到黑洞,因此最佳時機在2017年只有這10天。”

  中國有兩個亞毫米射電望遠鏡,一個在青海德令哈,另一個在西藏羊八井,但由于我國地處美洲的背面,難以和其他望遠鏡同時觀測,因此中國大陸的望遠鏡並沒有參與直接觀測。

  至今還沒觀察到死亡的黑洞

  還記得電影《星際穿越》中黑洞的樣子嗎?像一頂草帽,水平方向有個吸積盤,黑洞上下也有兩個圓環。“就像海市蜃樓,這只是看上去的視覺效果,實際並非如此,這是黑洞的引力透鏡效應,或者說是時空彎曲效應。”苟利軍說。

  當我們靠近黑洞時,相比于那些遠離黑洞的人,我們的時間流逝得更慢。這也可以算是時空彎曲效應,不過只是一種相對效應。靠近黑洞時,每一個衡量“一秒鍾”的尺度被拉長了,也就是說,在這個坐標系下,時間是被拉長的。

  黑洞會消亡嗎?苟利軍說,在傳統的廣義相對論中,黑洞産生後不會再發生變化,可以永遠存在下去。但如果把量子力學的不確定性,引入事件視界中,一些質量較小的黑洞會産生霍金輻射,因而也會死亡,並在消亡時産生大量伽馬射線。但霍金輻射對于超大質量黑洞影響很小,這類黑洞並不會消亡。據介紹,科學家至今還沒觀察到死亡的黑洞。

  銀河系恒星級黑洞超1億個

  黑洞的近代概念,來源于愛因斯坦1915年提出的廣義相對論。通過愛因斯坦場方程,可以直接推導出某些大質量恒星會終結爲一個黑洞。“黑洞相當于愛因斯坦場方程的一個極端的解,不過就連愛因斯坦也不敢相信黑洞真實存在。”

  愛因斯坦場方程在最初發布時只有近似解,當時的德國物理學家卡爾·史瓦西在一戰前線,得到了非旋轉黑洞的精確理論解,這是第一個有關愛因斯坦場方程的精確解。與此同時,史瓦西還給出了黑洞的半徑大小,在這個半徑範圍以內,任何物質和輻射都不會溢出,後人將此距離稱爲史瓦西半徑,並把史瓦西半徑處的想象中的球面叫作事件視界。“在史瓦西看來,一個人如果掉進事件視界,是無法發射無線電光信號的,因爲光也無法逃逸出去。”

  上世紀三十年代,美國的“原子彈之父”奧本海默研究發現:恒星在一定環境之下可以坍縮形成黑洞,並從理論上證實了黑洞的質量下限。

  1963年,旋轉黑洞精確解這一難題被愛爾蘭的數學家羅伊·科爾所攻破。

  1964年,美國科學家利用探空火箭在天鵝座區域偶然發現了一個非常明亮的X射線天體,天文學家將此天體命名爲天鵝座X-1,這是人類曆史上第一個黑洞候選體。

  核物理學家約翰·惠勒于1967年提出“黑洞”這個名稱,有趣的是,“蟲洞”這個名稱也是由他提出的。

  霍金在上世紀七十年代首先提出黑洞的熱力學定律,之後又發現“霍金輻射”,他認爲光線會從黑洞中逃脫,黑洞的質量因此也會逐漸變小,從而消失。

  2016年2月11日,激光幹涉引力波天文台宣布,他們通過引力波信號,探測到了兩個黑洞合並。這爲黑洞的存在提供了第一個具體證據。

  宇宙中到底存在著多少黑洞?在引力波被直接探測到後,科學家們估算,質量小于100個太陽質量的恒星級黑洞在我們銀河系當中就應該多于1億個。而我們整個宇宙還有至少上千億個類似我們銀河系的星系。與此同時,幾乎在每一個星系中心還存在著一個超大質量的黑洞呢。

(原载于《解放日报》2019年04月11日 05版焦点 记者 黄海华 )  

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