18新利最新登入黑洞是如何工作的

由:克雷格·弗洛伊德里奇博士|
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黑洞图片库在ngc4261星系核心的黑洞附近的艺术概念。查看更多黑洞图像。
图片由NASA/太空望远镜科学研究所提供(J. Gitlin,艺术家)

你可能听过有人说:“我的桌子变成了一个黑洞!”你可能在电视上看过天文学节目电视或者读一篇关于黑洞的杂志文章。自从爱因斯坦预言了这些奇异的物体以来,它们就一直吸引着我们的想象力广义相对论在1915年。

黑洞是什么?他们真的存在吗?18新利最新登入我们怎样才能找到他们呢?在这篇文章中,我们将研究黑洞并回答所有这些问题!

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黑洞是什么?

黑洞的艺术概念:箭头显示了物体在黑洞开口内和周围的路径。18新利最新登入"width=
黑洞的艺术概念:箭头显示了物体在黑洞开口内和周围的路径。18新利最新登入
图片由NASA提供

一个黑洞大爆炸时还剩下什么明星死亡。

如果你读过18新利最新登入恒星是如何运作的,那么你就知道恒星是巨大的,惊人的聚变反应堆.因为恒星的质量很大,而且是由气体组成的,所以有一个强烈的引力场总是试图使恒星坍缩。核内发生的聚变反应就像一个巨人聚变核弹那就是试图爆炸恒星。的平衡在引力和爆炸力之间决定了恒星的大小。

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当恒星消亡时核聚变反应停止是因为这些反应的燃料被烧掉了。与此同时,恒星的引力将物质向内拉,并压缩核心。随着核心的压缩,它会升温,最终产生超新星爆炸,物质和辐射爆炸到太空中。剩下的是高度压缩、质量极大的核心。地核的引力非常强,甚至不能逃脱。

这个物体现在是一个黑洞,从视野中消失了。因为地核的引力非常强,地核会下沉时空,在时空中创造了一个洞——这就是为什么这个物体被称为a黑洞

核心成为黑洞的中心部分,称为奇点.这个洞的开口叫做视界

你可以把视界想象成黑洞的口。一旦某物通过视界,它就永远消失了。一旦进入视界,所有的“事件”(时空中的点)都停止了,任何东西(甚至光)都无法逃脱。视界的半径叫做史瓦西半径,以天文学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)的工作命名,他的工作引出了黑洞理论。

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黑洞的类型

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黑洞及其周围的艺术概念:黑色的圆圈是视界,蛋形的区域是能层。
图片由NASA提供

黑洞有两种类型:

  • 史瓦西-非旋转黑洞
  • 克尔-旋转黑洞

史瓦西黑洞是最简单的黑洞,其核心不旋转。这种类型的黑洞只有一个奇点和视界。

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克尔黑洞可能是自然界中最常见的形式,它旋转是因为形成它的恒星在旋转。当旋转的恒星坍缩时,核心继续旋转,这延续到黑洞(角动量守恒).克尔黑洞有以下几个部分:

  • 奇点——崩塌的内核
  • 视界-洞的开口
  • 能层-事件视界周围扭曲空间的蛋形区域(扭曲是由黑洞旋转造成的,它“拖动”了它周围的空间。)
  • 静态极限-能层与正常空间的边界

如果一个对象传入能层它仍然可以通过从黑洞的旋转中获得能量而从黑洞中喷射出来。

18新利最新登入但是,如果一个物体穿过视界,它将被吸进黑洞,永远无法逃脱。黑洞内部发生了什么是未知的;即使我们现有的物理理论也不适用于奇点附近。

尽管我们看不见黑洞,但它确实有三个性质可以或可以测量:

  • 质量
  • 电荷
  • 旋转速率(角动量)

到目前为止,我们只能测量质量黑洞周围其他物体的运动可以确定它的位置。如果一个黑洞有一个伴星(另一颗恒星或物质盘),就有可能测量这个看不见的黑洞周围物质的旋转半径或轨道速度。黑洞的质量可以用开普勒修正的第三行星运动定律来计算旋转运动

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18新利最新登入我们如何探测黑洞

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哈勃太空望远镜拍摄的ngc4261星系核心
图片由NASA/太空望远镜科学研究所提供,图片来源:L. Ferrarese(约翰霍普金斯大学)和NASA

虽然我们看不见黑洞,但我们可以通过测量黑洞对周围物体的影响来探测或猜测黑洞的存在。可以使用以下效果:

  • 从围绕黑洞运行或螺旋进入核心的物体估计质量
  • 引力透镜效应
  • 发出辐射

质量

许多黑洞周围都有物体,通过观察这些物体的行为,你可以探测到黑洞的存在。然后通过测量可疑黑洞周围物体的运动来计算黑洞的质量。

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你要寻找的是一颗恒星或一个气体盘,它的行为就像附近有一个巨大的质量。例如,如果一颗可见的恒星或气体盘有“摆动”运动或旋转,而且这种运动没有可见的原因,而且看不见的原因似乎是由一个质量大于三个太阳质量的物体引起的(太大了,不可能是中子星),那么有可能是黑洞引起了这种运动。然后通过观察黑洞对可见物体的影响来估计黑洞的质量。

例如,在NGC 4261星系的核心,有一个旋转的棕色螺旋状圆盘。这个圆盘的大小和我们的太阳系差不多,但重量是太阳的12亿倍。对于一个圆盘来说,如此巨大的质量可能表明圆盘内存在黑洞。

引力透镜

爱因斯坦的广义相对论预言了这一点重力可以弯曲空间.这一点后来在一次日食在日食之前、期间和之后测量恒星的位置。恒星的位置发生了变化,因为恒星发出的光被太阳的引力弯曲了。因此,在地球和遥远的物体之间具有巨大引力的物体(如星系或黑洞)可以将来自遥远物体的光弯曲成一个焦点,就像一个黑洞镜头可以。这种效果如下图所示。

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这些图像显示了来自地面望远镜18新利最新登入(左)和哈勃太空望远镜(右)的MACHO-96-BL5的变亮。
图片由NASA/太空望远镜科学研究所提供,图片来源:NASA和Dave Bennett(圣母大学)

在图像中,MACHO-96-BL5的变亮发生在a引力透镜从它和地球之间经过当哈勃太空望远镜在观察这个物体时,它看到了两个物体的图像,它们靠得很近,这表明存在引力透镜效应。中间的物体看不见。因此,得出的结论是,在地球和该物体之间有一个黑洞。

发出辐射

当物质从伴星落入黑洞时,它会被加热到数百万开氏度并加速。过热的物质会发射x射线,x射线可以探测到望远镜比如轨道钱德拉x射线天文台

天鹅座X-1是一个强x射线源,被认为是黑洞的一个很好的候选者。如上图所示,恒星风来自伴星HDE 226868的物质吹到黑洞周围的吸积盘上。当这种物质落入黑洞时,它会释放出x射线,如图所示:

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由绕轨道运行的钱德拉x射线天文台拍摄的天鹅座X-1的x射线图像
图片由NASA/CXC提供

除了x射线,黑洞还能高速喷射物质形成飞机.许多星系都观测到了这种喷流。目前,人们认为这些星系的中心有超大质量的黑洞(数十亿个太阳质量),这些黑洞产生了强大的喷流广播排放。其中一个例子是M87星系,如下图所示:18新利最新登入

重要的是要记住,黑洞不是宇宙的真空吸尘器——它们不会吞噬一切。所以,虽然我们看不见黑洞,但有间接证据表明它们确实存在。他们一直与时间旅行和虫洞并保持宇宙中迷人的物体。

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最初发表于2006年11月26日

黑洞常见问题

黑洞是由什么构成的?
黑洞是一颗大质量恒星死亡时留下的东西,它的物质被挤压在一个非常小的空间里。
18新利最新登入有多少黑洞?
科学家估计,仅在银河系中,就有1000万到10亿个黑洞。
最常见的黑洞类型是什么?
克尔黑洞可能是自然界中最常见的一种。
黑洞通向哪里?
如果一个物体穿过视界,它将被吸进黑洞,永远无法逃脱。黑洞内部发生了什么是未知的;即使我们现有的物理理论也不适用于奇点附近。
黑洞的两种类型是什么?
这两种类型的黑洞是史瓦西黑洞(非旋转黑洞)和克尔黑洞(旋转黑洞)。
特色

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