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西班牙《世界报》:黑洞之谜 近百年来仍无解


来源:中国网

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黑洞,在几乎没有人感知到它的存在的时候,就存在于爱因斯坦的相对论中了。巴塞罗那大学黑洞研究人员马克·力波解释说,在后续的观察中发现了一个点光源,这表明G2可能是一个气体云,但正围绕恒星运动。当吸积发生在由圆面物质形成的黑洞中,并且弹射出的流垂直于圆面时,天体物理学家可以看到烟花。

西班牙《世界报》:黑洞之谜 近百年来仍无解

黑洞

黑洞,在几乎没有人感知到它的存在的时候,就存在于爱因斯坦的相对论中了。波茨坦天文台二十世纪初的领导者、数学家和天体物理学家卡尔·史瓦西很快就会证实黑洞的存在以及它在万有引力中的重要性。

但二战加大了他的工作难度。当爱因斯坦发表阐述其引力场方程理论的文章时,史瓦西正在俄罗斯的战场上负责计算炮弹的轨迹。他自愿加入德意志帝国的军队,但他的工作实际上微乎其微,在阅读了爱因斯坦的工作成果后,他就立即将新的公式应用在宇宙对象中。

最终的结论来得很快。在1916年1月——相对论发表后仅仅三个月——史瓦西将他的计算结果寄给了爱因斯坦。“我敢肯定,这将在最大程度上支持他的理论。”他在德俄交战前线写道。

但是,并非所有都符合史瓦西的计算。他的结果侧重于恒星外部和内部的时空曲率。然而在他的结论中,有一部分是爱因斯坦绝不会同意的。如果恒星的总质量被压缩到一个足够小的空间,时空曲线会无限弯曲。而在这个小空间内将会发生的是——科学历史指出——没有什么能够逃脱引力,甚至光线也不可以。同时时间也会受到影响,将扩展到零。换句话说,如果一个人在密度过大的对象附近时,在外部观察者的眼中,这时的时间是冻结的。

根据他的计算,如果太阳的质量被压缩到三公里以内的半径中,或将地球的质量集中在两英寸的弹珠内,这是会发生的。根据爱因斯坦的理论,这是根本不可能的。但他们谁都没有时间证明他们所说的就是黑洞。史瓦西在向爱因斯坦写信的几个星期后死于一种免疫疾病,那种疾病袭击了他的皮肤细胞。史瓦西去世之后,在60年代,其他科学巨人如斯蒂芬·霍金,罗杰·彭罗斯,约翰·惠勒和弗里曼·戴森表明他的怪论可能是正确的。

与其他学科领域不同的是,物理学家通常其理论最好的“贩卖者”,有时他们的名字是营销产品成功的真正因素。根据哥伦比亚大学物理学教授布赖恩·格林在他的书《隐藏的现实》中披露的,事实上,由黑洞产生的引力深渊甚至可以捕捉光线,这意味着宇宙中的这些区域都隐藏在黑案例,因此,史瓦西的结果被命名为“暗星”。根据其结果还有人建议起名为“冷冻星”。但直到半个世纪之后,约翰·惠勒——普林斯顿大学理论物理学家,曼哈顿计划核裂变的先驱之一,决定了了原子弹的发展方向——才开始研究这些超密集的宇宙天体。

目前在宇宙中已经发现了几十个黑洞,几乎每一周科学界在这些密集的宇宙天体的研究上都有新的突破。正像著名物理学家弗里曼·戴森解释的那样,“黑洞并不少见,它们不是宇宙偶然的装饰品。黑洞是宇宙中唯一爱因斯坦的相对论可以显示其力量和荣耀的地方。”

然而,尽管据他的发现已经过去了近100年,尽管科学家们十分努力,对于黑洞还有许多未知之处。

对于公众来说这可能听起来很可怕:一个宇宙“下水道”能够吞噬所有的物质,没有任何东西可以逃脱,并且在每一个星系都有黑洞。

黑洞已经在一些地方被检测到,如距离地球超过13万光年的麦哲伦云。在银河系也有。事实上,有一个是太阳质量的400万倍的巨大黑洞,被称为人马座A *,就在银河系的中心。

“在银河系有100,000亿颗恒星,它们都围绕这个梦幻般的黑洞旋转。”加那利群岛天体物理研究所研究员豪尔赫·卡萨雷斯说,“要有这么多引力来束缚这些恒星行星,必须有一个人马座A *黑洞,或者更大的黑洞存在。”

今年早些时候,两个最优秀的研究、追踪暗物质小组——由安德烈亚·盖茨领导的洛杉矶加州大学(UCLA)小组和由史蒂芬·吉勒森领导的来自德国马克斯普朗克学院的地球物理小组,宣布称,天文学家终于能够参加一个人马座A *的宇宙宴会:观测表明,2014年3月或4月一个气体云将会以最近距离经过黑洞,并会在几天之内被吞噬。

但是这件天体物理学界期待已久的事最终并没有发生。所有预测都失败了。上周,安德烈亚·盖茨公布了交换系统上的通信《天文学家的电报》,声称到达人马座A *最近点的气体云G2-仍然完整无缺。即使在最接近的点,气体云和黑洞之间的距离仍然是地球到太阳的200倍距离。

巴塞罗那大学黑洞研究人员马克·力波解释说,在后续的观察中发现了一个点光源,这表明G2可能是一个气体云,但正围绕恒星运动。

科学预测表明,黑洞在银河系中心产生的巨大引力可引起气体云以每秒数千公里的速度运动。也就是说照这样的速度,不到一秒钟的时间就可以从美国到西班牙。然而,在气体云中可能存在的恒星的引力可以使G2免于被黑洞吞噬。

“在G2中仍有一部分气体被它撕开。”安德烈亚·盖茨说,“但它最终会与人马座A *相撞,甚至包括它内部的恒星。问题只是我们可以观察到事件的何种程度。”

尽管如此也已经失去了唯一的机会,来证实爱因斯坦相对论中预测的理论以及卡尔·史瓦西在1916年苏联战场中的研究发现。

具有讽刺意味的是,尽管现在天体物理学家迫切地想要研究出银河系中心的物质,但人马座A *距离地球有26,000光年,所以科学家们正在研究的事实际发生于26000年前。

对于天体物理学家,虽然失去了一次机会,但这也不是世界末日。“有可能是我们生命中的另一个机会。”力波说,“如果它发生在15年前,因为观测仪器的限制,我们还无法看到。”的确,空间观测技术在最近几年的进步飞速。不仅体现在不同直径的大型望远镜在智利的阿塔卡马沙漠和夏威夷的建设,也体现在作为其他技术的基础支持,加深神秘黑洞的研究。

事实上,黑洞巨大的引力拖拽着光的基本粒子:光子,使其不发出任何信号,他们是不可能自行检测到的。“黑洞可以在活动阶段被检测到:当它吞噬物质的时候。”卡萨雷斯说。如果黑洞在静止的状态时没有警报,“我们什么也看不到。”他说。

然而,不论吞噬何种宇宙对象时,都会产生巨大的引力使物质的速度接近光速。当这种情况发生时就会看到类似烟花的物质碎片,这是黑洞吞噬恒星或附近的气体云发射出的X射线等辐射时产生的。目前的天文仪器可探测数万光年的距离。

当吸积发生在由圆面物质形成的黑洞中,并且弹射出的流垂直于圆面时,天体物理学家可以看到烟花。

“除了红外望远镜或X射线望远镜外,这些研究结果已成为可能。这要归功于自适应光学技术能够纠正图像中使恒星变形的大气湍流。”卡萨雷斯说。“这就像是能够在太空中穿越层层大气,找到智利阿塔卡马沙漠中超大望远镜(VLT)的位置。”

超大质量的黑洞对公众有极大的吸引力。但天体物理学家们通常只是发现一些较小的黑洞——太阳质量的五至十倍——它通常正在吞噬一个恒星,因为这样物理学家才观察的到。根据科学家的观点,如果一个黑洞的质量等于太阳的三倍,它就好像是一个中子星。

到目前为止,科学界已经确定了20个黑洞。一个由豪尔赫·卡萨雷斯和马克·力波参与的西班牙研究小组发现了这20个黑洞之中的6个。“我们每年可以看到大概两个黑洞吸积事件。”卡萨雷斯说。“这是在小型黑洞中比较容易看到的事。”力波解释说。

在超新星中一颗恒星的爆炸可能会导致黑洞,事实上,这已经被科学家观察到了。但如何形成太阳质量数百万倍、甚至几十亿倍的黑洞仍然是一个谜。“有些黑洞十分巨大,推测可能有几千亿个太阳的质量,它们形成于宇宙的起源时期,由超巨大的恒星或超新星爆炸而成。”卡萨雷斯说。宇宙中新生的黑洞群可以解释像人马座A *这样巨大的存在。

另一个谜团是为什么黑洞的质量如此多变:有些小型黑洞只有约太阳质量的5至10倍,而另一些大型的则为太阳质量的数百万倍,目前并没有证据显示有中型黑洞,即其质量是太阳质量的100至1,000倍。还太多的未知数。但在天体物理学和理论物理学领域的前沿还有更加复杂的事。在某种程度上,黑洞在宇宙中的角色与另一个物质十分相似:暗物质。

接下来的一年,事件视界望远镜 (Event Horizon Telescope)项目,倡议建立一个全球观测网络以研究人马座A *的现周围环境,将达到足够的分辨率来区分光被拉入黑洞时,何时会停止在神秘的暗物质晕周围。

就在三天前,来自美国的一个科研小组在银河系的研究中前进了一步。该小组发现,有一恒星行在以每小时近两百万英里的速度行进,这可能揭示了银河系中最黑暗的秘密。“我们看不到的暗物质晕,但它的引力确实作用于恒星。”研究的主要作者,犹他大学物理学和天文学教授郑铮说。

专家介绍,偏离预期的这个神秘的光环可能表明爱因斯坦的引力理论需要修改。但这样说还是为时过早。在2018年,一个名为So-2的恒星将可能已最近距离经过银河系中心的巨大黑洞,也就是先前G2气体云经过的那个黑洞。这颗恒星的轨道可以测试出爱因斯坦的方程式是否正确地描述出重力在巨大黑洞附近时的数据。那个时候,伟大的德国物理学家的理论和卡尔·史瓦西的数学计算已经过去了100年。并且,在那个时候,黑洞仍然是宇宙物理学界伟大的奥秘之一。(实习编译:石剑)

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[责任编辑:赵桐羽]

标签:人马座A 太阳质量 黑洞

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