如果你对科幻感兴趣的话,肯定早就听说过黑洞(black holes),因为许多科幻小说和电影都把黑洞当成其中一个情节设定(plot devices)。尽管如此,但你真的了解黑洞是什么吗?作为一个现实存在的物体(real-life objects),黑洞分散于宇宙的各处(scattered throughout the universe),尤其是银河系的中心地带(at the centers of galaxies)。虽然黑洞在宇宙中普遍常见,却很少有人真正地对它探索一番,理由就是,一旦不小心进入黑洞就再也出不来。这一原因导致黑洞既充满神秘感又散发着恐惧的意味,然而天文学家们并没有因此而停止对黑洞的研究,他们不断地利用物理定律(laws of physics)从黑洞的外部来进一步探索。

黑洞的边缘带有极大的吸引力(mass trapped inside their boundaries),它们拥有超强的引力场(gravitational fields)。黑洞的引力强到一旦进入就没有任何东西可以逃出它的磁场。大多数黑洞都是太阳质量的好几倍,最重的甚至可以达到太阳质量(millions of solar masses)的几百万倍。

除了黑洞的质量以外,实际形成黑洞中心的点(actual singularity)却难以观测得到。天文学家们只好通过这些点对黑洞周围物质的影响(effect on the material surrounding)以及穿过的光线来做进一步了解。

黑洞的结构——“THE STRUCTURE OF A BLACK HOLE”

黑洞的基本构造(building block)就是“点”,它在空间中只是极小的一点,但却承载着黑洞的所有质量。

在黑洞的周围有一个空间区域,连光线都无法穿透,这也是黑洞名称的由来。这一区域的边缘叫做“事件视界” (event horizon),它无边无形,在此处引力场的牵引力等同于光的速度。事件视界的位置取决于黑洞的引力(gravitational pull),可以运用Rs = 2GM/c2的公式来计算事件视界的位置。其中公式中的R代表着点的半径(radius of the singularity),G代表着重力(force of gravity),M代表着质量,C代表着光速。

黑洞是从何而来的?

因为黑洞有不同的种类,因此黑洞从何而来的答案也十分复杂。黑洞最常见的种类是恒星质量黑洞(stellar mass black holes),他们大概是太阳质量的几倍。当巨大的主序星(large main sequence stars)(太阳质量的10到15倍)核心处的核聚变燃料耗尽时(run out of nuclear fuel in their cores),引发大量的超新星爆炸(massive supernova explosion),随后在行星曾经的位置便会留下黑洞的核心。

另外两种黑洞的类型是超大质量黑洞(supermassive black holes)和微型黑洞(micro black holes)。单独的超大质量黑洞是太阳质量的上百万或上千万倍。而微型黑洞,顾名思义(as their name implies),则非常微小,它们大概只有20微克的质量。对于二者来说,它们产生的机制仍不明确。微型黑洞目前只存在于理论中,还未有直接的发现。超大质量黑洞存在于银河系的中心地带,它们的起源仍是一个争论的焦点。很可能超大质量黑洞是一些小型黑洞,恒星质量黑洞和其它物质合并在一起而得来的。一些天文学家解释说,当大量的恒星崩塌(star collapses)时便有可能形成黑洞。

那微型黑洞呢的起源呢?它们很可能是在两个超高能粒子碰撞(collision of two very high-energy particles)之间所产生的。在地球的上层大气中这种现象接连不断地发生,在粒子物理学实验(particle physics experiments)中也十分常见,但无须担心,我们不会因此而处于危险之中。

我们看不到黑洞,那么如何知道黑洞的存在呢?

因为光线无法穿透黑洞周围的区域,也就是事件视界,因此我们无法真正地看到黑洞。尽管如此,我们通过黑洞对周围物质的影响来测量和显示黑洞的存在。

黑洞对周围的物质产生引力作用。在实验中,天文学家们通过研究光线在黑洞周围的现象来推测出黑洞的存在(deduce the presence of the black hole by studying how light behaves around it)。如同所有巨大的物质一样,黑洞强大的引力可以导致光线弯曲。由于黑洞后方的恒星随着黑洞而移动,因此它们散发出的光线会呈现出弯曲的状态(light emitted by them will appear distorted),另外恒星移动的轨道也会与众不同(appear to move in an unusual way)。根据这些信息便可以得出黑洞的位置和质量。

另外,我们还可以通过黑洞周围发出(give off)的放射性物质(radiation)和受热物质来判断黑洞的存在,比如无线电或是X光。

霍金辐射——“HAWKING RADIATION”

探测黑洞的终级方法是通过一种叫做“霍金辐射”的原理。这一原理是由物理学家兼宇宙学家(cosmologist)斯蒂芬霍金传的名字来命名。霍金辐射是有关黑洞热力学性能的理论预测(a consequence of thermodynamics),它认为热能可以从黑洞中逃离出来。

该理论基本的观点是,由于真空空间中的自然交互和波动(natural interactions and fluctuations),物质会以电子和反电子(electron and anti-electron)的形式创造而出。当这些物质出现在事件视界的附近时,一个粒子便会从黑洞中驱逐而出(ejected away),而另一个粒子便会落入黑洞引力之中。

对于观测者来说,他们所能观测到的只有一个粒子从黑洞中射出。这个粒子被看作是带有正能量(positive energy)的物质,这意味着为了平衡,落入黑洞的粒子则带有负能量。最终黑洞的能量和质量也会渐渐变小,消失。

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