什么是黑洞?

黑洞是具有引力的非常大质量恒星的残留物,其强度如此之大,甚至连光也无法逃脱。

黑洞可能是最奇怪的–最常见的误解–我们宇宙中的物体。它们是最大质量恒星的残留物,它们位于我们对物理学的理解的极限之内。在不超过城市的空间中,它们可以容纳我们太阳质量的几倍。由于引力如此之大,甚至没有光无法逸出它们的表面,黑洞可以告诉我们关于宇宙的绝对极端和空间本身的结构。

艺术家's rendition of a black hole.

艺术家’再现了一个黑洞,从附近的恒星上吸走了气体。图片来源:NASA E / PO,索诺玛州立大学,Aurore Simonnet

从概念上讲,黑洞并没有那么复杂。它们不过是曾经质量过大的恒星的极其致密的核心。大多数恒星像我们的太阳一样,通过将外层轻轻吹向太空来和平地结束生命。但是,恒星的质量超过太阳质量的八倍,却走了另一条更具戏剧性的道路。

当这些恒星不再能够在其核中融合原子核时,它们就会死亡。它们本身并不是燃料耗尽。相反,一旦恒星具有铁芯,将原子融合在一起以制造新元素实际上会消耗恒星的能量。缺少能源,恒星无法抵御与重力的不懈奋斗。恒星的外层坠落下来。

随着数十亿吨的气体涌入,恒星的核心发生了剧烈变化,并变得对进一步压缩具有弹性。涌入的天然气击中现已硬化的岩心并反弹。快速的气体压缩引发了不可控核聚变的最后一波浪潮。这颗恒星现在突然失去平衡,开始爆炸。产生的超新星可以胜过整个星系,并且可以从整个宇宙中看到。

超新星遗迹N49

N49型超新星遗迹位于大麦哲伦星云中160,000光年远—银河系的卫星星系。大约有5000年的历史,超新星很可能会在其尾迹中留下一颗紧凑的中子星。该合成图像显示X射线(紫色),红外(红色)和可见(白色,黄色)光。 X射线:NASA / CXC / Caltech / S.Kulkarni等;光学:NASA / STScI / UIUC / Y.H.Chu&R.Williams等;红外线:NASA / JPL-Caltech / R.Gehrz等。

在超新星之后,核心仍然存在。此时,这种亚原子颗粒浓稠的汤有两种选择。对于质量小于20个太阳的恒星,其核心将作为中子星保持在一起。但是对于真正的恒星重量级产品,核心将转变为真正的奇特物体。黑洞诞生了。

星星在不稳定的环境中壮成长。重力要把恒星拉在一起,内在压力要把恒星撕成碎片。当其中一种力量占上风时,发生最剧烈的变化。在几颗太阳的核心质量之上,尚无可平衡重力的已知压力源。恒星残留物会自行坍塌。

将所有质量压缩成越来越小的体积,会使死星表面的引力急剧上升。不断增加的重力使任何物体逃逸都变得越来越困难。使重力足够高–大约是我们在地球上感受的三万倍–并弹出一些真正奇怪的副作用。

被黑洞撕裂的恒星的模拟。

该计算机模拟显示,一颗恒星被附近的黑洞在重力作用下撕裂了。长长的过热气体标记出恒星’的最后旅程。下落的气体堆积在黑洞周围的圆盘中(左上方)。图片来源:NASA,S。Gezari(约翰霍普金斯大学)和J. Guillochon(加利福尼亚大学圣克鲁斯分校)

将一个球扔向空中,最终它停止,转身,然后再回到您的手。球越硬,球越高–但仍然跌倒了。用足够的力将球扔出去,球可以逃脱地球的重力。该非返回点称为“逃逸速度”。每个行星,恒星和彗星都不同。地球的逃逸速度约为40,000 km / hr。对于太阳来说,时速超过200万公里!在很小的小行星上,跳得太高可能会意外将您送入轨道。

但是,在黑洞上,逃逸速度大于光速!

既然没有什么可以这么快,那么就什么也没有–甚至不发光–可以以足够的速度逃离黑洞的表面没有类型 辐射—无线电波,紫外线,红外线–会从黑洞中散发出来。根本没有信息可以离开。宇宙围绕着这些恒星巨兽的残骸拉开了帷幕,因此我们无法直接研究它们。我们所能做的就是猜想。

黑洞本身由“事件视界”描绘的空间量定义。事件视界不明显地标出了逃逸速度与光速完全相等的边界。在视野之外,您的飞船至少有理论上的机会可以回家。越过那条线,您将单向探索内部的一切。

艺术家's rendition of an X射线二进制: a black hole orbiting another star

天文学家定位黑洞的一种方式是在其他恒星周围的轨道上找到它们。发生这种情况时,气体会从恒星中吸出,并在整个事件层中盘旋向下。磁盘中的气体被加热到数百万度,并发出强大的X射线。结果是天文学家’s call an “x-ray binary”,在此艺术家中显示’移交。图片来源:ESA,NASA和Felix Mirabel

事件范围内的内容是一个完全的谜。中心还有一个物体,曾经辉煌的恒星核有阴影吗?还是没有什么能阻止重力将原子核压碎到单个点,甚至可能使时空穿刺?我们缺乏对这种极端环境的了解以及掩盖这些生物的无知面纱,给了想象空间奔波。通往其他维度,平行宇宙甚至遥远时间的隧道的视野都是猖ramp的。但是这个问题的唯一诚实答案“事件范围之外还有什么?” is a simple “we don’t know!”

底线是黑洞是巨大质量恒星的掩埋场。超新星爆炸后,巨大的核被抛在了后面。缺乏合适的平衡力,重力将芯子拉在一起,使逃逸速度超过光速。从这时起,没有光–也没有任何信息–可以辐射到太空。剩下的就是一个巨大的恒星站在那里的完全是黑色的空隙。

克里斯托弗·克罗基特(Christopher Crockett)