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科技:如果被吸入黑洞真的会穿越吗?

时间:2019-04-13 11:01:22   来源:少儿编程培训   关注度:1089

2019年北京时间 4月10日21点整,全球六地(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)同步召开全球新闻发布会。“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope, EHT) 发布了位于巨椭圆星系M87中心的黑洞照片。

这也是有史以来首张黑洞照片, 一直“活在传说中”的黑洞终于露出了真容,网友们纷纷表示神似甜甜圈。

第一张黑洞照片,5500万光年外的梅西耶87(M87)图片来源:Event Horizon Telescope(求生欲很强的乐乐)

也有网友表示不服,于是大家对着黑洞照片纷纷开了脑洞......



早在几个世纪以前,人们就察觉到了黑洞的存在。

直到今天,人类才首次拍摄到黑洞的照片,据介绍,此次发布的黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞,其距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。

该图像的许多特征与爱因斯坦广义相对论的预言完全相一致,在强引力极端环境下进一步验证了广义相对论。通过研究这个图像,人类将揭示出黑洞这类天体更多本质。

黑洞的探索之路

对于黑洞的探索,人类从未停止努力。

1796年,法国科学家拉普拉斯曾在他的《宇宙系统论》中做出一个猜想:在宇宙中有一种天体,它的引力非常强,以至于光线都无法逃脱,他把这类天体称为“封闭星体”。

这是科学家对黑洞最原始的想法。

一个多世纪以前爱因斯坦的广义相对论预言了这样一种最奇幻的天体,长期以来一直引起科学家和公众的猜测和幻想。虽然爱因斯坦明白黑洞是他的方程式的数学解,但他并未接受过它们对应的物理现实。

在广义相对论提出几个月后,德国物理学家卡尔·施瓦西推导出了广义相对论球对称引力场的严格解,还提出了物体的史瓦西半径的概念,当一颗恒星收缩到这一半径大小时,就会变成黑洞。

这一切都在20世纪60年代和70年代发生了变化,1962年,新西兰物理学家罗伊 · 克尔解决了旋转黑洞(即克尔黑洞)的引力场和时空问题。

1967年12月,约翰·惠勒在一场题为“我们的宇宙:已知与未知”的演讲上讲述了坍塌的恒星,他用《爱丽丝梦游仙境》的故事打了个比喻:

“(坍塌的恒星)像柴郡猫一样消失了。猫只留下了它的笑。而恒星只留下了它的引力。有引力,但没有光。无论是光还是其他粒子,都不再出现。而且,射入黑洞的光或粒子只会使其质量增加、引力增强。”

他在故事中偷偷用一个新术语替换了坍塌的恒星,那是这种奇怪的天体第一次被命名为“黑洞”。

电影《爱丽丝梦游仙境》中的柴郡猫

1971年:天体物理学家们探测到了天鹅座X-1,这个二元系统的特征表明它是由一个黑洞和一颗巨大恒星组成的。从那以后,黑洞一直是理论物理学家密切关注和研究的主题。

Cygnus X-1 黑洞(图片来源:NASA JPL)

 什么是黑洞

黑洞的迷人之处在于它或许是宇宙中最极端和最叛逆的天体,一个黑洞就拥有解构万物、回归本源的能力。

那么黑洞到底是什么呢?

我们都听说过万有引力,引力其实是一种很弱的力,即使地球的质量高达 6×1024千克,你也可以跳起来,或者乘飞机飞到天空中去。但是你的这种自由只是暂时的,物体通常在离地之后总会再落下来,除非你的速度超过一定数值。

如果你能以每秒 11 千米的速度从地面上跳起,你就可以逃脱地球的引力。科学家至少要以这样的逃逸速度发射火箭才能将飞行器送入太空。

一个天体体型越大,物质排列越紧密,其逃逸速度就越高。从木星、太阳到白矮星、中子星,它们的逃逸速度是依次递增的。然而,最大的那些恒星的核心坍缩之后会形成一个密度极高的物体,其逃逸速度甚至比光速还要高。

因为没有什么能比光传播得更快,所以也没有什么东西能从这些“黑洞”中逃脱。这就是它们名字的来历——所有的光线都被它们吞了进去,所以它们看起来是黑色的。

但事情的奇怪之处就在于黑洞并不黑。借助量子力学,史蒂芬·霍金证明了黑洞有一定的温度, 这跟它们表面的引力相关。

如果你太靠近黑洞,就会被它的引力永久地困住,不管多大的推动力都不能让你摆脱它的魔爪,而这个无法逃离的边界被称为“事件视界”。

   跌入黑洞会怎样

当跨过这条边界的时候,你可能都没觉得有什么不对劲儿的地方,但是这无疑会改变你的命运。

假如你的脚先跨过事件边界,那么黑洞对你的脚的引力比对你的头的更大,并且二者之间的差异最终会超过原子键的强度,这时你——会——被——拉——长,物理学家称其为“意大利面条化”。

那么,当黑洞把你扯成一根长长的意大利面的时候,你会落入何处呢?这是现代物理学中最棘手的问题之一。

根据爱因斯坦的广义相对论,严格地说,恒星的核心最终会坍缩成一个体积无限小、密度无限大的点,我们称之为“奇点”空间和时间都在此处完结。

我们通常认为,落入黑洞的物体都被吸入了奇点。

质量最大的那些恒星在死亡时会形成一个将时空扭曲到极限的黑洞,任何东西都无法从中逃脱。

让我们来看一下最寻常的黑洞,即所谓的“施瓦西黑洞”, 它是以其发现者卡尔·施瓦西的名字命名的。古语说:“世事有起终有落。”但在施瓦西黑洞的内部,有一个更确切的事实:没有“起”,只有“落”。

但是, 我们不太确定这样的“落”最终会到达哪里。

从施瓦西黑洞背后的数学原理出发得出的最直截了当的假说是,黑洞核心有一个可无限压缩的物质核,落入这个核是万物的终结,也是时间的终点。这个假说非常难以检验,因为进入黑洞的观测者不可能回来告诉我们他看到了什么。

黑洞是怎么找到的   

虽然我们很难看到黑洞本身,但黑洞周边我们是可以看到的,如果周边有其他物质,便会被黑洞吸引,在它周边堆积成盘,高速旋转,相互摩擦,从而变得炙热无比。

在周边物质发出的一片亮光中,黑洞会吸收所有离它太近的光线,留下一个清晰的黑色剪影。但实际上,这个剪影几乎不可能被看到。原因很简单,黑洞太小了!想要看清这个黑洞留下的这个剪影,我们必须拥有超强的视力,比如,在地球上看清楚月球表面的一个橙子。

如果人类有一台超大的望远镜,口径跟地球的直径相当,那么理论上来说,这台望远镜就拥有足够的分辨率,能够让我们隐约看清银河系中心超大黑洞留下的剪影。只可惜,我们不可能把整个地球改造成一台望远镜。

于是,天文学家就想出了其他办法,他们将分散在欧洲、北美、南美、太平洋和南极的8台射电望远镜联合在一起,组合成了一台足有地球大小的“事件视界望远镜”,分别在2017年4月和2018年4月,对银河系中心的那个超大黑洞,还有5000万光年以外M87星系中心的另一个超大黑洞,进行了联合观测。

后者虽然距离更远,但它的质量足有太阳的大约60亿倍,所以看起来应该跟银河系中心的超大黑洞差不多大小。而昨天公布的照片,就是“事件视界望远镜”拍到的黑洞的影像。

事件视界望远镜

这张照片,第一次直接的帮助我们确认了黑洞的存在。在此之前,虽然人类通过各种方法间接的确认了黑洞的存在,但都不是最直接的方式。

这张照片,则妥妥的证明了:黑洞确确实实是存在的。

在人类首张黑洞照片拍摄计划之初,中国科学院国家天文台研究员苟利军和其他研究者合作写过一篇文章。

文中曾提到:

无论我们最终得到的黑洞图像是什么样子——像电影画面一般壮观恢弘,或者只有几个模糊的像素点——视界面望远镜都意义非凡,这是我们在黑洞观测史上迈出的重要一步。观测结果不仅仅是一张照片那么简单,它一方面呼应着爱因斯坦的广义相对论,一方面也将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的。我们将成为有史以来第一批“看见”黑洞的人类,真是好运气!

如今照片就在我们眼前,虽然我们只将黑洞的神秘面纱掀开一角,在全世界科学家们的共同努力下,人类对黑洞的认知、对宇宙的探索将会更加深邃。

在下一个50年,人类必然又将想象推进到前所未有、想所未想的境地吧。谁会第一个突破我们的眼界呢?

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