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星际巨兽超大质量黑洞:百万甚至百亿倍太阳质量

2018年03月13日 10:53来源:新浪科技手机版
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文章来源:墨子沙龙 微信公众号

引言

地球黄沙遍野,小麦、秋葵等基础农作物相继枯萎灭绝,人类不再像从前那样仰望星空,放纵想象力和灵感的迸发,而是每日在沙尘暴的肆虐下倒数着所剩不多的光景。这是经典科幻电影《星际穿越》呈现出的世界末日临近的景象,但最终,博学的主人公库珀通过天文学、物理学、数学以及密码学知识成功地把未来的高科技传输给女儿,建立起星际文明,拯救了人类。

但也有人说,这部电影的真正主角是“卡冈图雅”——一个超大质量黑洞,因为它在电影中呈现的模型是三十多个人、数千台计算机工作一年的成果,它注定会成为电影史上一个令人难以忘记的鲜明角色。当库珀穿过虫洞看到“卡冈图雅”,我们也穿过茫茫宇宙,来领略下超大质量黑洞的神秘光芒,以及在光芒的掩映之下,人类对它已有的思考。

星际穿越中的黑洞“卡冈都亚”(图片来源网络)
星际穿越中的黑洞“卡冈都亚”(图片来源网络)

作者 | 钟郅皓

责编 | 孙丽君 左文文

黑洞是什么?

1915年,爱因斯坦提出广义相对论,广义相对论告诉我们,任何有质量的物体都会使周围的时空弯曲,进而影响其它物体的运动轨迹,这就是引力的本质。就像图2中描绘的地球,把它放在宇宙这个巨大的“幕布”上时,“幕布”会由于地球的质量而塌陷——也即地球周围的时空发生弯曲,而弯曲的时空决定了其中物体的运动轨迹。这样我们就明白月亮为什么不能脱离地球,而是按固定周期围绕地球公转了。

天体使时空弯曲(图片来源网络)
天体使时空弯曲(图片来源网络)

在爱因斯坦提出广义相对论之后不久,同年的12月,德国的天文学家卡尔。史瓦西寄来一封信,给出了引力场方程的第一个精确解,这个解描述了一个球对称星体外部的时空结构。他推论出,如果特定质量的物质被压缩到某个特殊半径范围之内,时空将会在这个半径处体现奇异的性质——这个半径后人称为史瓦西半径。

每一个天体都有一个对应的史瓦西半径,如果一个天体完全处于它的史瓦西半径球体范围之内,那么它发出的光将无法逃脱自身的引力而隐身在茫茫宇宙之中,成为暗星,也就是黑洞。史瓦西半径就是黑洞的视界,任何物质进入黑洞视界,都将无法逃脱。对于我们的地球来说,它的“史瓦西半径”大约是9毫米,换言之,把地球压缩到这么小,它就会变成一个黑洞。而对于太阳来说,这个半径大约是3千米。

物体的“史瓦西半径”与其质量成正比(图片来源网络)
物体的“史瓦西半径”与其质量成正比(图片来源网络)

在宇宙中,有一种黑洞可能是大家熟悉的,它由恒星演化而来。所有的恒星都有一定的寿命,它们的最终命运跟自身质量息息相关。太阳的质量在银河系中并不算大,它在晚年会先变成一颗红巨星,最终变成白矮星,走完自己的一生。但如果恒星质量超过太阳质量的10倍甚至更多,它将会以一种壮烈的方式终结自己的生命,这就是超新星爆发——随着一次剧烈的爆炸,恒星外层的物质被抛向宇宙深处,内层的物质则发生塌缩。人们曾经认为,超新星爆发的最终产物就是中子星,一种相当致密的由中子构成的天体。1939年,美国物理学家奥本海默在研究星体坍缩时发现,如果超新星爆发产生的中子星的质量超过了某个临界值,它将会不可避免地在自身引力作用下继续塌缩,最终完全落入自身的史瓦西半径内,成为一个黑洞。

但我们今天讨论的主角——超大质量黑洞(Supermassive Black Hole),不可能由恒星坍缩而成,这种黑洞的质量非常大,可以达到百万,甚至百亿倍太阳质量,一般位于大型星系的中心。图5中这个漂亮的星系叫草帽(Sombrero)星系,看上去像一顶墨西哥草帽。在这个“草帽星系”的中心,有一个大约10亿倍太阳质量的黑洞。

草帽(Sombrero)星系(图片来源网络)
草帽(Sombrero)星系(图片来源网络)

发现超大质量黑洞

——类星体中心在闪耀

1960年代初期,天文学家发现了一类叫“类星体”的天体,类星体是一种星系,因为看上去类似恒星而得名。它距离我们非常遥远,但它们的中心区域非常亮,远远超过了普通的星系。于是问题来了:这些类星体中心发光的能量来自哪里呢?

天文学家首先联想到了太阳。上个世纪三十年代,人们确信太阳之所以能“精力旺盛”地发光发热这么久,是由于其内部发生的核聚变。但对于如此遥远的类星体来说,中心区域如此耀眼,核能真的够吗?人们对核能的效率进行了计算,发现仅仅靠类似于恒星的核聚变过程,根本不足以支撑类星体的能量释放,而对引力能的计算使天文学家确信,引力能的释放效率远大于核能。也就是说,类星体的能量来源于自身中心区域的引力。而要产生如此巨大的引力能,类星体的中心区域一定存在一个质量非常大的家伙,同时这个中心区域的尺度并不大——超大质量黑洞成为最合理的解释。

但既然黑洞发出的光是无法逃离视界被观测到的,类星体中心的发光物质是什么呢?其实宇宙中存在大量弥散物质,物质由于黑洞的巨大引力落入类星体的中心,在这个过程中,物质的引力势能转化为动能,且运动速度越来越快,同时靠得越来越紧,在视界之外形成“吸积盘”。这些物质以接近光速的速度在吸积盘内相互摩擦,产生热量,发出闪耀的光。类星体就是通过这种方式把自身的引力能转化为光能,同时辐射出其他各种波段的电磁波。超大质量黑洞就像一只智慧的巨兽,虽然隐藏在宇宙的幕后,但无法遮掩自己强大的势场发出耀眼的光。

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