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黑洞

(2007-04-10 12:33:27)
黑洞是一个十分奇妙的物理概念,严格地说它是相对论引力理论,即广义相对论中提出的一个概念。它是指恒星(或任何物质)的外部会有一个特别的时空区域,在这个区域中,由于存在特别强烈的引力作用,那里的时空便变得如此弯曲,以至那里的光和其他粒子都只能单方向落入引力源,而不能静止或向外运动,其中恒星物质本身也只能不断收缩而变成密度为无穷大的奇点。这样一个特别的时空区域就叫做黑洞。

  早在1796年法国科学家拉普拉斯就曾在牛顿力学基础上计算过这样一个有趣的问题:一颗恒星收缩到多大时,它附近的引力可大到足以使恒星的所有辐射物,包括光也不能逃逸。我们知道,对于质量为M的恒星来说,当质量为m的物体之速度ve满足

黑洞

  时,它就可逃离该恒星。也即物体脱离该恒星的逃逸速度是

黑洞

  其中G为万有引力常数。

  ve为光速c时,有

黑洞

  此式告诉我们,在rrg的球形区域中,即使光也无法逃离(辐射)出去。以上简单的计算结果令人惊叹的是它恰恰与广义相对论的结果完全一致,正是这个半径为rg的球形区域叫做黑洞,rg称为该恒星的引力半径或席瓦西尔半径。

  上面介绍的黑洞概念本身是易于理解的,然而问题是一颗恒星能否收缩到引力半径rg这么大小,甚至更小的区域呢?根据简单计算,太阳的引力半径大约为3千米(太阳的实际半径为6.96×105千米);地球的引力半径则不到1厘米(实际半径为6.37×103千米)。显然,引力半径比它们的实际半径要小得多。那么,自然界是否存在这么大的作用力,能够把星体收缩到如此之小的区域之内呢?长期以来人们一直认为是不可能的。即使爱因斯坦的广义相对论问世后,1916年就算出了以上的引力半径,但也仅看作是理论计算的一个数学解,并没有引起人们的重视与注意。但是本世纪60年代以来,随着恒星演化理论的发展以及天文观测手段,特别是射电技术的进展,黑洞这一理论概念受到越来越多的物理学工作者的重视。到了70年代,黑洞则成为当时天体物理学的一个热门的前沿课题,使许多人深入到这个领域,展开了多方面的研究,甚至成了社会文化的一个热门话题。

  恒星演化理论的发展使人们认识到,不需要依靠什么神奇的力量,仅仅依靠物质本身的引力,就能使星体一直崩坍收缩为一个黑洞。我们知道,恒星的演化是以其内部核反应的能源作标志的,该能源维持着星体内部的温度及压力分布,而正是后者抵挡了星体的自身引力作用,实现着力学的平衡。一颗恒星当其内部核燃料耗尽,核反应停止后,究竟演化为哪一类天体,完全取决于其自身的质量,目前的理论结论大致可归结如下:

  对于M1.2MsMs为太阳质量)的晚期恒星,将演化为密度极大的白矮星,它由高密度的等离子体构成(密度约为109千克·米-31012千克·米-3),即使它的温度降得很低,根据量子力学中的泡利不相容原理,电子不能占有相同的能量空间,这意味着物质内部结合的紧密程度有一定的限度,当物质内部粒子靠近这一限度时,就会出现相互排斥的作用,这种作用称为简并电子气体的费米压力。白矮星内部正是由电子简并压力与引力保持着平衡,这类恒星在晚期还会丢失部分或大部分质量,从而形成一颗质量较小的白矮星。

  对于1.2MsM3.2Ms的晚期恒星,将最后演化为中子星。所谓中子星是由原子核瓦解后形成的高密度中子气体所构成(密度约为4×1017千克·米-3),中子星靠中子气的简并压力与引力平衡而存在。1967年观测到的脉冲星被证实是快速旋转、并具有强磁场的中子星。

  对于M3.2Ms的晚期恒星,它的内部再也没有能抵挡住引力的作用机制了,因此不再存在稳定的结构,这种星体将无止境地塌缩下去,最后形成黑洞。

  当一颗恒星最终形成黑洞后,任何信息都不能传出来,那么天文上如何能观察到黑洞,或如何确定黑洞的真实存在呢?虽然黑洞是漆黑一团、不发射任何东西,但还是有许多外部的观测效应,为黑洞的存在提供有力的证据。

  寻找黑洞的可行途径之一是利用密近双星。所谓密近双星是指靠得很近的两个星体,在相互引力作用下,形成相互环绕运行的一个系统。每一个双星系,常常由一个明显可见的正常星和一个看不见(或看不清)的物体(从正常星体运行轨道可推断其存在)所组成,前者称主星,后者称伴星。如果一个黑洞和一个正常恒星构成密近双星,那么我们可以通过正常星的运行周期、质量来判明其中黑洞的存在。

  另外,双星系中的主星,由于受到伴星黑洞强大引力的吸引,当其外层物质被黑洞潮汐力撕裂后,这些物质必然会被吸积到黑洞中去。在这些物质向黑洞坠落的过程中,巨大的能量将以X射线或γ射线辐射出来。所以,强烈X射线源常常是寻找黑洞的主要线索之一。

  现在大多数天文学家认为“天鹅座X-1”这一密近双星系的一员,很可能是黑洞。因为根据天文观测,其主星是质量为太阳质量20倍的超巨星,周期为5.6天。这说明两星的密近程度,而其伴星的质量亦很大,是太阳质量的5.5倍以上,所以不可能是中子星。这颗看不见的星还测到了强烈的X射线辐射。美国在197811月发射的“高能天文台2号”卫星,曾特地给这个最有希望的黑洞候选者拍摄了一张X光照片。

  虽然许多天文学家相信黑洞的存在,但是因以上这些证据都带有某些不确定性,所以还有争论。人们正通过其他途径努力寻找黑洞存在的更确定的证据。

  在黑洞理论方面,英国当代著名物理学家霍金(S.W.Hawking)作出了重要贡献:1971年提出了黑洞面积不减定理;1974年进一步把量子理论与广义相对论结合,提出了黑洞的辐射理论,这就是在70年代~80年代引起物理学界轰动的“霍金辐射”。

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