黑洞是宇宙中存在的一种特殊天体,是大质量恒星灭亡后的尸骸。
这种尸骸是天体食物链中的顶级吃货,通吃一切天体。
在黑洞极端引力范围,任何靠近它的天体都会被它拉扯撕碎,吃进它肚子里,落入那无底的深渊。
说黑洞无底,是因为所有的物质都掉落到一个没有体积的奇点中不见了,去了另外一个世界。
科学家们对这个奇点的描述是:体积无限小、曲率无限大、温度无限高、密度无限大。
什么是无限小?一个电子、一个中微子、一个光子也不是无限小。
量子力学认为,人类认识最小的极限是普朗克尺度,这个尺度为1.6x10^-35米,也就是1千亿亿亿亿分之一米。
电子尺度为10^-16m,普朗克尺度比电子小1千亿亿倍。
奇点当然比这个还要小,否则就不叫奇点了,也不是无限小了。
人类目前还没有发现普朗克尺度的物质,就更别说能够认识奇点了。
所以现代所有理论在奇点处失效。
因此奇点不是我们世界可以认识的,也不是我们世界的东西,而是超时空另外一个世界的东西。
现代量子力学认为进入黑洞视界内的各种物质都塌缩到了奇点,就是到了其他时空去了,所以黑洞是吃不饱的,因为它把物质都搬到我们无法认知的地方去了。
那么黑洞是什么形状的呢?
前面说了,黑洞实体是一个奇点,对于我们来说就是乌有。
但黑洞无毛理论认为,黑洞哪怕没有了物质的一切性状,但还有三个物理量留在我们的世界,这就是质量、角动量、电荷。
因此,这就是我们世界能够观测到黑洞的线索。
黑洞奇点无限曲率会在自己周围形成一个引力场,在这个引力场里一切物质都将被吞噬,连光线也不例外。
这个引力场呈现球形,与黑洞质量成正比。
这就是我们常说的黑洞史瓦西半径,计算史瓦西半径的公式为:
R=2GM/C²
式中,R为史瓦西半径(m),G为引力常量(6.67x10^-11N·m/kg),M为天体质量,C为光速。
宇宙最小的黑洞有太阳质量3倍多,史瓦西半径约为9000米;已知宇宙中更大黑洞有太阳质量的660亿倍,史瓦西半径约1980亿公里。
这个公式表明,当与质量成正比的一个临界点,光速都不能逃脱时,这就是一个黑洞。
因此,黑洞就是一个无法看到的黑咕隆咚的球。
这个球有角动量,其角动量是继承了原天体的角动量,根据角动量守恒定律,物体在一定角速度下,半径变得越小,旋转得就会越快。
就像花样滑冰运动员,当其甩开退旋转时是很慢的,但当她将身体收缩成最小半径时,就快速旋转起来。
因此黑洞的旋转速度是极快的,有的接近光速。
在黑洞附近的天体及星际物质,被黑洞强大引力所吸引,会在史瓦西半径周围形成吸积盘,高速的运行使吸积盘的物质激烈碰撞,迸发出高温高亮的可见光和强大的能量射线流,这样人们就能够观测到这个黑洞。
在史瓦西半径的边缘表面,会有一层吸积盘物质包裹,使人们可以看出黑洞的形状,这个像一层包膜样的可见部分,就叫黑洞事件视界,以这层膜为界,就是黑洞可以观测到和不能观测到的分界线。
旋转的角动量会把吸积盘甩成像一个草帽边,巨大而发亮。从这个角度看,黑洞就像两个合在一起极速旋转的草帽,或者一对合起来的民间乐器铜钹。
黑洞是大质量行星耗尽能量后无法承担外表面巨大质量而向内部坍塌,即使原子间的排斥力也无法阻挡这种坍塌,最终形成质量无限大体积无限小的天体,这即是黑洞。质量非常之大的黑洞,其自身所发出的光在自身强大的引力下被拉向奇点,也就是说光是无法逃逸出黑洞的,因此黑洞在我们看来,是黑漆漆,完全没有光线的一个天体。即是有假设的大型探照灯照射到黑洞,因为光线被黑洞吸收,你看到的仍旧是黑漆漆的一片。
黑洞有一个逃逸的范围,称之为视界,它的大小范围就是史瓦西半径。在这个视界面内,即是是光也无法逃逸,但是超过这个视界面后,光可以逃逸出来。这个黑洞的模型,就和漏斗形状一般。
由于黑洞引力非常之大,假如你掉入黑洞中,在黑洞引力潮汐下,会被引力撕碎,然后身上的所有原子互相挤压,电子互相碰撞,原子与原子之间的排斥力被克服,所有的原子都被吸向奇点,但是这还不够,原子继续分解成质子、中子、夸克等基本粒子。到后面甚至连夸克也不存在,物质最基本的粒子构成,统统挤在奇点处。
所以黑洞的可怕之处在于它强大的引力潮汐。即使是宇宙速度最快的光,也无法从黑洞中逃逸。
黑洞的样子是:
黑洞由中心的一个由黎曼曲率张量出发构建的标量多项式在趋向此处发散的奇点和周围的时空组成,其边界为只进不出的单向膜:事件视界,事件视界的范围之内不可见。
依据爱因斯坦的广义相对论,当一颗垂死恒星崩溃,它将向中心塌缩,这里将成为黑洞,吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。
黑洞的蒸发:
由于黑洞的密度极大,根据公式我们可以知道密度=质量/体积,为了让黑洞密度无限大,而黑洞的质量不变,那就说明黑洞的体积要无限小,这样才能成为黑洞。黑洞是由一些恒星“灭亡”后所形成的死星,它的质量极大,体积极小。
但黑洞也有灭亡的那天,按照霍金的理论,在量子物理中,有一种名为“隧道效应”的现象,即一个粒子的场强分布虽然尽可能让能量低的地方较强,但即使在能量相当高的地方,场强仍会有分布,对于黑洞的边界来说,这就是一堵能量相当高的势垒,但是粒子仍有可能出去。
黑洞的外形,看起来像一个球体。
黑洞是一个完全由引力控制的空间区域。引力在各个方向上的作用都是一样的,这意味着黑洞会把所有方向上的东西都拉向一个共同的中心点。我们可以通过观察太阳得到一些启发,太阳基本上就是一团气体,被万有引力不可抗拒地压缩成一个几乎完美的球体。
黑洞的样子
黑洞是球体,原则上就没有所谓的上、下或侧面。如果一个黑洞在宇宙中是完全孤立的(也就是说在黑洞的周围没有任何物质、天体,不会发生吸积并产生吸积盘和物质喷流),无论我们朝哪个方向看,看到的黑洞都像一个漆黑的圆环,并且周围环绕着一圈光,而这圈光是来自黑洞后面的发光天体所发出的光线。
黑洞的样子如下:
2019年4月10日21时,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)同时召开新闻发布会,宣布人类首次利用一个口径如地球大小的虚拟射电望远镜,在近邻超巨椭圆星系M87的中心成功捕获世界上首张黑洞图像。
公布的照片展示了一个中心为黑色的明亮环状结构,看上去有点像个橙色的甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的“阴影”,明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘。
给黑洞成功拍照的意义
首先,对黑洞拍照使人们能够了解黑洞更多的细节特征,有助于天文学家理解喷流、吸积盘等结构的形成机理。
其次,此次拍摄的黑洞是一颗位于星系中央的大质量黑洞,被认为与整个星系的演化关系密切,观测得到的黑洞图像有望为人们揭示两者间的联系与作用机理。