假如被压缩到这个尺寸,你也会变成一个黑洞 | 左文文
2019年4月10日,科研人员发布了首张人类捕获的黑洞照片。很多人看到这张照片都觉得它像一个“甜甜圈”,那么这个“甜甜圈”真实的物理尺寸有多大呢?
其实在2019年4月10日发布之前,我已经看过这张照片了。但是得知大家都看到这张照片后,我十分兴奋,比我当初看到它时还要欣喜。这就好像你有一个朋友,大家都非常认可你的朋友一样。
说到黑洞,不得不提一位著名科学家——爱因斯坦。请不要只相信课本上爱因斯坦老年时候的照片,他年轻的时候相当英俊潇洒,绝不输任何一位好莱坞明星,但更帅气的还是他充满智慧的大脑。
104年前,他提出了广义相对论,核心是爱因斯坦方程。他革新了原来的绝对时空观。曾经一次采访中,爱因斯坦说,我这个人就是比较坚持,别人都认为时间和空间是独立的,而我认为它们可能是一起的。
如果用一句话来描述他的理论,就是物质的质量决定了时空如何弯曲,而时空弯曲决定物质而如何运动。用一个弹簧床去模拟时空的话,放一个球,球有质量,弹簧床就弯曲了,而弯曲了的弹簧床又会影响周边物体的运动。
举个例子,现在大家都坐在舒服的椅子上,椅面其实已经凹陷,如果你在椅面上放一个小球,会发现小球会自然地往椅面凹陷处滑动。这其实就是,你决定了椅面怎么弯曲,而椅面的弯曲又决定了椅面上的物体如何运动。
就在同一年,还在一站战场上服役的德国物理学家史瓦西就给出了爱因斯坦方程的首个精确解,反映了什么呢?当一个天体坍缩至一个临界半径时,物质将继续坍缩至中心奇点。这个临界半径就是事件视界半径,在视界内,其引力强大到连光都无法逃脱。
如果连光都没法逃脱,那么就是说没法看见它。1969年,约翰惠勒给它取名黑洞。惠勒就是《星际穿越》电影的科学顾问,黑洞大牛。
可惜的是,史瓦西英年早逝,没有看到他提出的最简单黑洞模型被称作史瓦西模型。
如果我们进一步研究史瓦西的解,就会发现这样一个性质,你、我、我们所处的房子,其实都有自己的临界半径。
也就是说,如果把自己或者这栋楼压缩到各自的临界半径的时候,就可能产生一个黑洞了。而当物体被压缩到不受控制持续往中心塌缩的时候,一个体积无限小的奇点也就出现了。
那么这个视界面的大小和我们有什么关系呢?如果把我自己压缩成一个黑洞,那得压缩成多小呢?视界面的大小和质量有很大的关系:质量越大,黑洞的视界面半径越大,反之,质量越小,视界面半径就越小。
宇宙中究竟有没有黑洞呢?有的,我就是观测黑洞的。
根据质量,宇宙中的黑洞分为三类:恒星级质量黑洞,超大质量黑洞,还有介于两者之间的中等质量黑洞。
目前,恒星级质量黑洞和超大质量黑洞我们都找到了确切的案例。唯独介于两者之间的中等质量黑洞,我们目前还没有找到确切的候选体,这也是待解的难题之一。
就像我们看不到风,但是我们可以通过风吹动衣服或旗帜来判断风的存在。对于黑洞,也是类似的观测原理。
大家现在看到的动图,其实是我们对银河系中心的18颗恒星进行长达16年的观测后得到的一个结果。夏季,如果大家去比较偏僻而宽阔的地方,或者光污染比较弱的地方,抬头应该会看到一条银河光带。
第二类间接证据是就是黑洞“吃”东西会发光。所以可以通过观测黑洞发出来的光,去判断黑洞的存在。
我们都知道,黑洞是具有很强引力的天体,周围的气体会往黑洞的方向下落。大家回想一下,平时洗脸池中的水往下流的时候是不是一边转一边流?
黑洞“吃”东西也是这样,被它“吃”掉的气体也是一边转一边往下落,最后在黑洞的周围形成一个盘,我们管它叫吸积盘。
有多高呢?我们可以简单做个对比:煤的燃烧是化学燃烧,太阳发光是核聚变。煤燃烧相当于你在银行存了10000亿元,可以取出3元钱的利息;太阳发光相当于你在银行存了1000元,可以取出7元的利息。
黑洞对周围物质的吸积、吞噬所转化的光和热,相当于你在银行存了100元,可以取出少则十几元,最多40元的利息。
第三类证据是什么呢?现在你们听到的是一种引力波的声音。通过对这种引力波信号的研究,我们知道它对应的是两个恒星级质量黑洞的碰撞和并合,就好像我们看到了两个黑洞“打架”的现场。
我们可以推测这两个黑洞有多大,质量比是多少。所以,引力波也间接告诉了我们恒星级质量黑洞的存在。
不论是黑洞的首张照片,黑洞对周围气体和恒星的影响,还是黑洞发光以及引力波等,这些直接或间接的证据都告诉了我们,黑洞是存在的。我们为什么要研究黑洞呢?
我脑海中闪过的第一个理由是好奇心,毕竟很多时候我们是因为好奇而想去做研究。但显然这个理由并不能说服大家。
我们所处的银河系里就有这么一个超大质量黑洞,我们为什么不去了解它呢?这个超大质量黑洞和我们人类有什么关系?它会不会影响到我们的日常生活?
但如果我们以银河系中心为球心,以我们到银河系中心的距离为半径画一个巨大的球,大家知道这个球里存在的质量有多少吗?900亿倍太阳质量。900亿和410万,差得不是一点点。
所以,决定太阳如何运动的不是黑洞,而是气体、恒星,还有占比最大的暗物质。这刚好验证了一句话——团结就是力量。
银河系中有上亿个恒星级质量黑洞
除了银河系中心的这个超大质量黑洞,理论上,银河系当中还应该存在上亿个恒星级质量黑洞。虽然目前只探测到了20多个,但一想到还有那么多的恒星级质量黑洞,我们是不是应该关注一下呢?
黑洞与星系的关系
请大家看看这张图。这是离我们比较近的大星系中心的一个黑洞,星系中有一个名叫核球的部分,而这张图片就反映了黑洞质量和核球质量的相关性。
大家现在看到的是我拍摄到的活跃黑洞的光谱,通过研究黑洞的光和光上留下的痕迹,我们可以研究星际介质的分布有多少,它们是怎么分布的。所以,研究黑洞有利于研究宇宙的历史。
不知道我上述说的理由能不能说服大家,黑洞研究其实是非常有意义的,有价值的。那我们到底该怎么研究黑洞呢?
地球绕太阳转示意图
先给大家看一个简单的模型,这是太阳和地球运转的示意图。我们知道地球围着太阳转,更准确地说,它们是围绕着共同的质心在转动。
如果我知道地球围绕太阳转的速度是多少,再知道太阳和地球的距离是多少,我就能算出太阳的质量是多大了。
这张图是我们对一类活跃黑洞做的简易模型图。中间是黑洞,旁边的区域是气体下落形成的吸积盘,吸积盘外还有一些气体云块。
通过拍摄黑洞发射的光,我想知道两个信息:气体云块距离黑洞有多远?气体云块围绕黑洞转的速度是多少?就有点类似通过观测银河系中心黑洞附近的恒星运动,从而算出银河系中心黑洞的质量。
图左是人类看到的第一个活跃黑洞——3C 273的照片,这是我们在光学波段可以看到的它的样子。它像一个星点,所以我们把它叫作类星体(类似恒星的星体)。
背景简介:本文2019年8月27日发表于微信公众号 格致论道讲坛(假如被压缩到这个尺寸,你也会变成一个黑洞| 左文文),风云之声获授权转载。 责任编辑:祝阳
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