什么是黑洞?

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xiaozao 发表于 2023-9-13 12:09:49|来自:北京 | 显示全部楼层 |阅读模式
《哈勃太空望远镜20年》观后惑
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zhenshuai 发表于 2023-9-13 12:09:59|来自:北京 | 显示全部楼层
黑洞是时空曲率大到光都无法从其视界逃脱的天体,它强大的引力会吸收周边的一切,并且被黑洞吞噬的事物,都无法逃脱,包括光。而关于黑洞也是有很多大胆的猜想,比如说有人认为黑洞的中心,其实是通往其他宇宙或者空间的入口,我们可以通过这个入口去穿越过那些人类科技无法跨越的距离,但这又和量子引力理论相悖。
不过太阳系内暂时没有发现黑洞,而人类暂时又无法离开太阳系,所以到现在为止我们都无法靠近黑洞,关于黑洞的一切猜想,也只是理论猜想,因为它的特殊性,人们害怕它靠近,却又对它充满好奇。
ilylyh1314 发表于 2023-9-13 12:10:37|来自:北京 | 显示全部楼层
广义相对论的爱因斯坦场方程有着各种各样的解,不同的解可以用来描述不同形式的弯曲时空。
现代意义上的黑洞,最早就是由史瓦西从爱因斯坦场方程中解出来的,不过当时它仅仅只是一个单纯的数学解,并没有人相信它有什么物理意义。
真正赋予黑洞现实意义的,是“原子弹之父”奥本海默,他基于中子星模型进一步推导,从而预言了真实黑洞存在的可能性虽然当时这种天体还并不被称为黑洞。
taihom 发表于 2023-9-13 12:11:00|来自:北京 | 显示全部楼层
关于黑洞,下面的内容从它的形成与演化及发现过程开始,带你详细了解黑洞的方方面面。

黑洞的形成与演化


1783 年,英国科学家约翰·米歇尔提出,存在一种具有超大质量和超高密度的恒星,这种恒星的引力是如此之强,甚至连光线都无法从它内部逃脱。到了 1795 年,法国科学家皮埃尔·拉普拉斯将光速的有限性与经典力学中的最大逃逸速度相结合,第一次提出了黑洞的概念,这也是传统力学的引力所能带来的最富有创造力的结果,因此他也被称为黑洞之父。科学经过一个多世纪的发展,到了 1916 年,德国天文学家史瓦西求出了爱因斯坦的广义相对论方程的严格解。通过这个解我们可以推测出,宇宙中可能存在一种尚未被观测到的引力巨大的天体,也就是后来我们所说的黑洞。

黑洞被看做是恒星最终的宿命,像是恒星的坟墓,所以也被称为「坟星」。黑洞可以说是宇宙中最不为人知的天体,因为它无法发出任何可见光,对人的各种观测手段来说,它都是一片漆黑的,所以被叫做黑洞。但是在成为黑洞之前,它曾经是宇宙中最明亮的天体。在恒星的生命快要结束的时候,会发出最耀眼的光芒,之后只留下一个坍缩的核。这个很小的核却拥有超级强大的吸引力,连光都无法逃出它的范围,所以无法观测到它。它不但是不可见的,还会把所有靠近它的物质都吞噬掉。



可以这样简单地描述黑洞形成的过程。一般来说,恒星中只含有氢元素,这些氢原子每时每刻都在发生核聚变和核裂变。因为恒星自身具有很大的质量,所以内部的核反应产生的能量与引力达到一种平衡,这就让恒星能够保持稳定。因为核反应,氢原子的结构也会发生变化,并形成新的氦原子。氦原子继续参加核聚变和裂变,再次形成其他的新元素。在恒星的生命只剩下最后的十分之一的时候,温度就会变得越来越高,不断地释放出巨大的能量。因为恒星本身的质量十分巨大,所以有强大的引力,恒星自身释放出的能量与引力刚好达到平衡。但是当恒星的能量快要消耗完的时候,就无法与自身的引力抗衡了,在巨大的引力作用下,恒星开始崩溃,并向内部剧烈坍缩。

按照元素周期表中原子量的顺序,各种新的元素不断形成,直到铁元素出现为止。因为铁十分稳定,所以不会继续发生核反应,当恒星内部出现足够多的铁元素时,恒星就无法释放足够多的能量来与自身的引力达到平衡,这时它就开始坍缩。如果它的质量足够大,就会变成黑洞。黑洞本身的强大引力会将它周围的所有物质都吸进去,像一个无底洞一样疯狂地吞噬。宇宙中的尘埃和物质不断向黑洞周围聚集,形成一个旋涡状的物体,它被称为吸积盘。

黑洞产生的这个过程,与中子星的形成过程有些类似。它们都是大质量恒星在自身的引力作用下发生坍缩而形成的。只不过,中子星是在恒星坍缩到其中的所有物质都变为中子时,坍缩过程就停止了,变成了一个中子紧密结合成的质量超大的星球。但是黑洞坍缩的过程会不断持续,中子也会被巨大的引力撕碎,变成更为基本的粒子,最后成为一个密度极大的物体。因为它的引力太过巨大,表面的第二宇宙速度甚至超过了光速,所以连光都无法逃脱它的掌控。所有在它周围的物体都被它的引力吸过去,所以黑洞可以形象地被看成是宇宙中的吸尘器。

从某种意义上来说,恒星与黑洞是相似的。二者都有一个虽然体积很小,但是十分致密的核。但是它们还是存在区别的。恒星会释放出能量,这些能量会传递到它周围的宇宙物质和其他天体上,从而让我们能够得以感知它的存在和运动。这种影响的范围被认为是恒星的组成部分,也就形成它的体积。所以从我们观察的角度来说,恒星的体积就很大。但是黑洞则不同,除了一个很小的核之外,我们几乎觉察不到它周围的物质。对于它所释放出的能量,我们的认识还十分不足,所以在我们的感知范围内,黑洞很小。
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slipknot 发表于 2023-9-13 12:11:39|来自:北京 | 显示全部楼层
时空演化程序的一种最为有效的垃圾回收机制,须知物质进入黑洞视界后丢失其上每一粒子的所有信息。
xpdou 发表于 2023-9-13 12:11:53|来自:北京 | 显示全部楼层
关于
黑洞是什么?给你一个详细的解释:
  根据广义相对论,引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时,它的引力场对时空几乎没什么影响,从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。
  而恒星的半径越小,它对周围的时空弯曲作用就越大,朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。
  等恒星的半径小到一特定值(天文学上叫“史瓦西半径”)时,就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时,恒星就变成了黑洞。说它“黑”,是指它就像宇宙中的无底洞,任何物质一旦掉进去,“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的,等一会儿我们会讲到。
  那么,黑洞是怎样形成的呢?其实,跟白矮星和中子星一样,黑洞很可能也是由恒星演化而来的。
  我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢),由中心产生的能量已经不多了。这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,直到最后形成体积小、密度大的星体,重新有能力与压力平衡。
  质量小一些的恒星主要演化成白矮星,质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算,中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值,那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了,从而引发另一次大坍缩。
  这次,根据科学家的猜想,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径),正象我们上面介绍的那样,巨大的引力就使得即使光也无法向外射出,从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。
  与别的天体相比,黑洞是显得太特殊了。例如,黑洞有“隐身术”,人们无法直接观察到它,连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么,黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢?答案就是——弯曲的空间。我们都知道,光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论,空间会在引力场作用下弯曲。这时候,光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播,但走的已经不是直线,而是曲线。形象地讲,好像光本来是要走直线的,只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。
  在地球上,由于引力场作用很小,这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围,空间的这种变形非常大。这样,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落入黑洞中消失,可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以,我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样,这就是黑洞的隐身术。
  更有趣的是,有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球,它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”,还同时看到它的侧面、甚至后背!
  “黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着,新的理论也不断地提出。不过,这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。
黑洞是什么 | 科学文摘

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