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        最“好吃”的天體

        2016-05-18 07:22:17
        科學之友 2016年20期
        關(guān)鍵詞:星體天體引力

        最“好吃”的天體

        在宇宙中有一種天體,它質(zhì)量很大很大,體積卻很小很??;它“胃口”很好,可以吞噬接近它的一切物體,甚至連光也無法從它的勢力范圍逃脫。人們看不見它,所以就給它取了個名字——黑洞。黑洞到底是一種什么樣的天體呢?一起來認識一下吧。

        黑洞,從科幻世界走向現(xiàn)實

        星體的質(zhì)量越大其引力也越大,某些天體的引力大到極致,就連光線也會被吞噬進去。200多年前,就有人提出過宇宙中存在著黑洞之類天體的猜想。

        100多年前,愛因斯坦的廣義相對論的出現(xiàn),為這個猜想得到確認做好了理論準備。卡爾·史瓦西運用愛因斯坦方程式,提出了一個觀點。這個觀點認為,質(zhì)量巨大的星體一旦縮小到某種程度,即使光線也無法射出。這一觀點,從物理學角度預言了黑洞的存在。

        20世紀30年代,人們已經(jīng)知道了恒星(如太陽)的能量(如光、熱)是由核反應產(chǎn)生的。如果想進一步了解星體的一生,那么,黑洞是否存在,就急需被確定。有人猜測說,恒星在晚期時,會發(fā)生超新星爆炸,中心殘留的星體會無限聚縮,這在科學家中間已經(jīng)得到廣泛的認同,但對于一般人而言,黑洞還只是科幻世界中的東西。直到50多年前,X射線天文學的出現(xiàn),黑洞才被大多數(shù)科學家認為是真實存在的。

        “白洞”是什么洞

        黑的反義詞是白。那既然有只“進”不出的黑洞,是否其對立面還有一個只“出”不進的白洞呢?

        在廣義相對論里,就預言了一種性質(zhì)正好與黑洞相反的特殊天體——白洞。按照白洞理論,白洞是宇宙中的噴射源,可以向外部區(qū)域提供物質(zhì)和能量,但不能吸收外部區(qū)域的任何物質(zhì)和輻射,因此白洞是一個只發(fā)射、不吸收的特殊天體,與黑洞正好相反。

        白洞目前還僅是一種理論模型,尚未被觀測到,因此目前還無法證實。

        恒星到了晚期就可能變成黑洞

        恒星因核反應產(chǎn)生光芒,晚期因燃料耗盡,無法繼續(xù)核反應而終結(jié)一生,黑洞被認為是恒星“死亡姿態(tài)”的一種。

        質(zhì)量相當于太陽8倍左右的恒星一旦耗盡了核反應材料,會變成巨大的紅色天體“紅色巨星”,其星體會向周圍膨脹,形成行星狀星云,中心部分成為白矮星,其密度高達每立方厘米10噸。也就是說,像一粒大花生米的物質(zhì)就有10噸重。

        質(zhì)量相當于太陽20倍左右的恒星到了晚期,即使變成了紅色巨星,其中心部分還繼續(xù)著核反應,最終只殘留下由鐵構(gòu)成的中心核。如果核反應無法再持續(xù)下去,星體就會受到自身引力的作用,開始塌陷,鐵的原子核被壓破,電子和質(zhì)子聚合成中子,星體中心部分成為中子核。隨后,由于重力作用,周圍的物質(zhì)被中心核所吸引,但又被中子的能量劇烈激飛——這就是超新星爆發(fā),殘留的中心核就成了中子星。

        質(zhì)量比太陽大20倍以上的恒星,其重力超過了中子的能量,超新星爆發(fā)后,中心核繼續(xù)收縮。這種收縮以勢不可當?shù)牧α恳恢背掷m(xù)著,在接近其中心部分,達到了連光線也無法逃逸的境界,于是黑洞就誕生了。

        無限收縮的中心核,有著超乎想象的密度。舉例來說,如果太陽要變成黑洞的話,在質(zhì)量保持不變的情況下,其體積要壓縮到直徑只有6千米, 如果是地球的話,那就必須壓縮到直徑1厘米的大小。

        黑洞也是一種天體

        如果太陽的質(zhì)量不變,即使收縮變成黑洞,太陽系中的行星在其軌道上也不會受到影響。質(zhì)量相同,從引力這一點來看,恒星和黑洞是一樣的。

        離星體中心的距離不同,物體受到的引力也不一樣,越接近中心,受到的引力也就越大。如果離質(zhì)量相同的星體和黑洞的距離相等,受到的引力也相同。但是,一般星體和黑洞有個決定性的區(qū)別:星體的直徑都較大,距離星體越近,引力就會變得越強,直到到達了星體的表面后,引力的增加也就到此為止了。而黑洞的密度極大,體積很小,可能成一個點,所以可以無限地接近,因此物體感受到的引力也就比星體強大得多,以致連光線也無法逃脫的超強重力領(lǐng)域,這是黑洞獨有的特征。

        看不見卻能找得到

        黑洞雖然真實存在,但因為其不可見,所以人們無法直接找到它。但是,黑洞周圍的物質(zhì)(如氣體)受其重力的吸引,圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)形成吸積盤。旋轉(zhuǎn)的氣體相互摩擦被加熱,吸積盤放射出X射線發(fā)出強烈的光芒。根據(jù)X射線天文衛(wèi)星的觀測,我們可以得知“看不見的天體”真實存在著。

        另外,黑洞超強的引力,在某些環(huán)境會產(chǎn)生劇烈的物理現(xiàn)象:它不光會吞吸物質(zhì),也會激噴出一部分物質(zhì)(噴氣)。電波觀測發(fā)現(xiàn),在宇宙的許多地方都有這種噴發(fā)現(xiàn)象,這有助于黑洞的發(fā)現(xiàn)。

        銀河系中心,也許存在著巨大的黑洞

        我們介紹了恒星的末期形態(tài)——質(zhì)量比太陽大幾倍到幾十倍的黑洞。但銀河中還存在著質(zhì)量比太陽的質(zhì)量大100萬倍、1 000萬倍、幾十億倍的超大黑洞。這些超級黑洞不是由一顆恒星所能誕生的,它們是存在于銀河中心的黑洞。1990年以來,銀河中心存在著巨大的黑洞,這一觀點逐漸得到了確認。但它是如何產(chǎn)生的,目前還不是很清楚。

        我們知道,銀河中心地帶有恒星在高速旋轉(zhuǎn)著。這些恒星沒有到處飛散,其中心就必定存在著擁有巨大質(zhì)量的天體??茖W家認為這應該是超巨大的黑洞。

        黑洞可能是與銀河的誕生和發(fā)展極為相關(guān)的重要天體。

        來源|《科學大眾·小諾貝爾》

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