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历史上科学家是如何预测黑洞的?
黑洞是广义相对论预测的密度特别大的黑暗物体。大质量恒星在其演化的末期会坍缩,其物质密度特别高。它有一个被称为“视界”的封闭边界,黑洞中隐藏着一个巨大的引力场。因为引力场太强了,任何物质包括光子都只能进不能出。形成黑洞的恒星核的质量下限约为太阳的三倍。当然,这是原子核的最终质量,而不是主序星时期恒星的质量。除了这个恒星级黑洞之外,黑洞还有其他来源——所谓的微型黑洞可能形成于早期宇宙,而所谓的超大质量黑洞可能存在于星系中心。(参考资料:《宇宙新视界》)
黑洞不会让其边界内的任何物体被外界看到,这就是为什么这类物体被称为“黑洞”。我们无法通过光的反射来观察它,只能通过周围受黑洞影响的物体来间接了解黑洞。话虽如此,黑洞还是有其边界的,那就是“视界”。据推测,黑洞是一颗死亡恒星的残余物,它是在一颗特殊的大质量超巨星坍塌时产生的。黑洞必须由质量大于钱德拉塞卡极限的恒星演化形成,质量小于钱德拉塞卡极限的恒星无法形成黑洞。
正如我们所说的,没有什么东西能进入黑洞并从中逃脱。但科学家认为,黑洞会慢慢释放能量。英国著名物理学家霍金在1974年证明黑洞的温度不为零,高于周围环境的温度。根据物理学原理,所有温度高于周围环境的物体都会释放热量,黑洞也不例外。黑洞会释放出数百万万亿年的能量,黑洞释放的能量被称为“霍金辐射”。当黑洞消耗掉它所有的能量时,它就会消失。
事件视界,即空和时间上不可避免的区域之间的边界,就像黑洞周围的单向薄膜:物体(如毫无防备的宇航员)可以通过事件视界落入黑洞,但没有任何东西可以通过事件视界逃离黑洞。(请记住,当光试图逃离黑洞时,事件视界是空轨道。没有什么能比光移动得更快。人们可以适当地将诗人但丁关于地狱入口的话应用于视界:“从这里进入的人必须放弃所有希望。”一旦任何东西或任何人进入事件视界,它将迅速到达无限密集区和时间的尽头。
广义相对论预测,移动的重物将导致引力波的辐射,引力波是以光速传播的时间曲率在空之间的波纹。引力波类似于电磁场中的波纹,但它们更难探测。就像光一样,它会带走发光物体的能量。因为任何运动中的能量都会被引力波的辐射带走,可以预计大质量物体的系统最终将趋于恒定状态。这非常类似于将软木塞扔进水中。起初,它上下颠倒了很长时间,但当涟漪带走它的能量时,它终于平静下来。例如,地球绕太阳旋转会产生引力波。其能量损失的影响将改变地球的轨道,使其越来越接近太阳,并最终撞击太阳,并以这种方式返回最终状态。以地球和太阳为例,能量损失率非常小——它只需要一个小型电加热器就可以点燃,这意味着地球和太阳碰撞大约需要1000亿年的时间,所以不要立即担心!改变地球轨道的过程太慢了,根本无法观察到。但是几年前,在一个名为PSR 1913+16的系统中观察到了这种效应(PSR代表“脉冲星”,一种发出规则无线电波脉冲的特殊中子星)。这个系统由两颗互相环绕运行的中子星组成。由于引力波辐射,它们的能量损失使它们在螺旋轨道上相互靠近。
当恒星坍缩形成黑洞时,它的运动速度要快得多,因此能量以高得多的速度被带走。所以不用多久就能达到同样的状态。这个最终状态会是什么样的呢?人们会认为这将取决于形成黑洞的恒星的所有复杂特征-不仅是其质量和旋转速度,还包括恒星不同部分的不同密度以及恒星中气体的复杂运动。如果黑洞像其原始物体一样多变,那么对它们做出任何预测都将非常困难。
然而,1967年,加拿大科学家奈·伊斯雷尔(出生于柏林,在南非长大,并在爱尔兰获得博士学位)彻底改变了他对黑洞的研究。他指出,根据广义相对论,不旋转的黑洞一定是一个非常简单而完美的球体;它的大小只取决于它们的质量,任何两个质量相同的黑洞都必须相等。事实上,它们可以用卡尔发现的爱因斯坦的特解来描述?Schwartz Schild发现它起初,许多人(包括israel本人)认为,既然黑洞必须是完美的球形,那么黑洞只能通过完美球形物体的坍缩形成。因此,任何真正的恒星——从来都不是完美的球体——只会坍缩形成一个光秃秃的奇点。
然而,一些人,特别是罗杰·彭罗斯和约翰·惠勒,主张对以色列的结果进行不同的解释。他们认为,涉及恒星坍缩的快速运动表明,它释放的引力波使它越来越接近一个球体,当它最终静止时,它就变成了一个精确的球体。根据这种观点,任何不旋转的恒星,无论其形状和内部结构多么复杂,最终都会在引力坍缩后成为一个完美的球形黑洞,其大小仅取决于其质量。这一观点得到了计算的进一步支持,并很快被所有人接受。
以色列的研究结果只涉及非旋转物体形成的黑洞。1963年,新西兰人罗伊·克尔发现了描述旋转黑洞的广义相对论方程的一族解。这些克尔黑洞以恒定的速度旋转,它们的大小和形状只取决于它们的质量和旋转速度。如果旋转为零,黑洞就是一个完美的球体,这个解与施瓦茨席尔德的解相同。如果存在旋转,黑洞在赤道附近向外突出(就像地球或太阳由于旋转而向外突出一样)。旋转越快,它向外突出得越多。据推测,如果以色列的结果扩展到包括旋转体,那么任何旋转体在坍缩形成黑洞后最终都将处于克尔解描述的静止状态。
黑洞是科学史上最罕见的案例之一。它已经发展成为一个非常详细的数学模型,而没有任何观察证据来证明其正确性。事实上,这通常是反对黑洞的主要论点:你怎么能相信一个物体只是基于有问题的广义相对论的计算?然而,1963年,加州帕洛玛天文台的天文学家马丁·施密特(maarten schmidt)测量到一个暗淡的类星体向一个名为3C273(剑桥射电源目录第三类中的第273号)的射电源方向红移。他发现引力场不可能引起如此大的红移——如果是引力红移,那么这样的恒星必须具有如此大的质量,并且离我们如此近才能干扰太阳系中行星的轨道。这暗示着这种红移是由宇宙膨胀引起的,这进一步表明这种天体离我们非常遥远。既然能在这么远的距离观察到它,它一定非常明亮,这意味着它一定辐射出大量的能量。人们会认为产生如此巨大能量的唯一机制似乎不仅仅是恒星,而是星系整个中心区域的引力坍缩。还发现了许多其他类星体,它们都有很大的红移。但它们都离我们太远了,观测它们为黑洞提供确凿的证据太困难了。
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