宇宙黑洞是什么?它真的存在吗?

宇宙黑洞是什么?它真的存在吗?
宇宙黑洞是什么?它真的存在吗?

宇宙黑洞是什么?它真的存在吗?
宇宙黑洞存在
宇宙黑洞:
斯皮策太空望远镜捕捉到的宇宙中隐藏黑洞的图片,其中黄色亮点表示一个内含“类星体”黑洞的遥远星系,它的外围被一层宇宙气体尘埃紧密环绕.
新浪科技讯 近日国际天文学家通过美国宇航局斯皮策太空望远镜的一项最新观测结果,在宇宙中某一狭窄区域范围内,首次同时发现了多达21处却一直深度隐藏着的宇宙“类星体”黑洞群.
这一重大发现第一次从正面证实了多年来天文学领域有关宇宙中有数目众多的隐身黑洞广泛存在的推测.充分的证据使人们相信,在浩瀚的宇宙中,的确充满着各种各样未被发现的巨大引力源泉--"类星体"黑洞群体.有关该项最新发现的详细内容,研究人员已撰文正式刊登在了2005年8月4日出版的《自然》杂志中.
“深藏不露”的类星体
我们知道在现实中的宇宙黑洞,由于其巨大的引力作用,连光线都被紧密吸引束缚,因而无法被人们直接观测发现.为确定黑洞天体存在的证据,天文学家通过研究发现,在黑洞周围的物质行为具有其特定行为：在黑洞周围的宇宙空间中,气体物质具有超高的温度,并且在被黑洞强大引力场吸引剧烈加速后,这些物质在彻底消失之前均会被提升到接近光速.而当气体物质被黑洞彻底吞噬后,整个过程都会释放出大量的X-射线.通常正是这些逃逸出来的X-射线,显示出此处有黑洞确实存在的迹象.这便是以往人们发现黑洞的最直接证据.
而另一方面,在一些格外活跃的超大型宇宙黑洞周围,由于其对周边物质剧烈的吸引和吞噬行为,还会在黑洞星体外围产生一层厚重的宇宙气体和尘埃云层,这便进一步增大了对黑洞体附近区域的观测难度,阻碍了天文学家对这些超大黑洞存在的发现工作.天文学上将这些极度活跃的黑洞定义为"类星体".普通情况下,一 个类星体平均一年总共吞噬的物质质量,相当于1000个中等恒星质量的总和.一般情况下,这些类星体距离太阳系都非常遥远,当我们观测到他们时已经是亿万年以后的现在,这说明此类黑洞的活动出现在宇宙诞生初期.科学家推定,这种黑洞正是在成长壮大中的宇宙星系前身,所以将其命名为"类星体".
到目前为止,只有为数不多的几个"类星体"黑洞被发现,在浩瀚的宇宙深处,是否还有数量众多的其它类星体存在,仍有待人们进一步去发现,而天文学家在该领域的研究工作则完全依靠对宇宙内部X-射线的全面观测研究来予以证实.
“充满”了黑洞的宇宙
近日,来自英国牛津大学的阿里耶-马丁内兹-圣辛格教授在介绍其首次对宇宙间隐藏黑洞的发现时说,"从以往对宇宙X-射线的观察研究中,本希望能找到宇宙中大量隐藏类星体存在的证据,但结果确都不尽如人意,令人失望."而近日根据美国宇航局NASA的斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope)的最新观察结果,天文学家则成功穿透了遮蔽类星体黑洞的外围宇宙尘埃云层,捕捉到了其中一直暗藏不露的内部黑洞体.由于斯皮策太空望远镜能够有效收集能穿透宇宙尘埃层的红外光线,使得研究人员顺利地在一个非常狭窄的宇宙空间区域内,同时发现了数量多达21个早已存在却又"隐藏不露"的类星体黑洞群.
来自美国加州理工大学斯皮策科学中心的研究小组成员马克-雷斯在接受媒体访问时同时也表示,“如果我们抛开此次发现的21个宇宙类星体黑洞,放眼宇宙中的其它任何区域,我们完全可以大胆预测,必将有数量众多隐藏着的黑洞将会被陆续发现.这意味着,一如我们原先推测的那样,在不为人知的宇宙深处,一定有数量众多、质量超大的黑洞巨无霸,正借助着星际尘埃的隐蔽,在暗地里不断发展壮大着.”
宇宙黑洞包括物理黑洞和暗能量黑洞两种.物理黑洞有巨大的质量,但暗能量黑洞只有巨大的暗能量而没有巨大的质量.目前每个星系中心的黑洞都是暗能量黑洞.暗能量黑洞的引力与它内部的暗能量和它的旋转速度的乘积成正比,与它的体积成反比.
1.宇宙黑洞的研究现状
天文学家通过长期观测发现,在宇宙中有一些引力非常大却又看不到任何天体的区域,称之为黑洞.黑洞是位居宇宙空间和时间构造中的一些深不见底的类似井状的东西,具有极大的吸引力,包括光在内的任何物体都无法逃脱被吸入的命运.这就使得人们对于黑洞的研究变得异常困难：它既不向外散发能量,也不表现出任何形式的能量,人们根本无法看到它.因此,人们对于黑洞的研究就象是对一种看不见的东西进行研究.
科学家们认为,黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成,当一颗质量相当大的星体核能(氢)耗尽后,没有辐射压力去抵抗重力,平衡态不再存在时,这个星体将全面塌缩.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.根据科学家的计算,当中子星的总质量超过三倍太阳的质量时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.若其质量仍大于3个太阳质量时,那么连中子的气体压力也不能平衡重力,星体将继续塌缩至它的重力半径范围之内.这时,引力之大足以使一切粒子,包括光子,都被引回星体本身,不能外逸,就形成了引力极强的黑洞.黑洞可以吞噬附近的一切物质,它先将物质吸引到附近围绕它们高速旋转；随着转速的加快,物质变为炙热的等离子体,并逐渐靠近黑洞旋转中心；当它们最终接近黑洞时,就会被吞噬.
通常,黑洞是无法被发现的,但是也有例外：如果在它附近有气团,则会产生飞向黑洞的气流,于是气流也暴露了黑洞的位置.众所周知,在压缩时气体物质会被加热到几百万度,同时产生强烈的X射线辐射.用X射线观测望远镜就可以探测到黑洞的存在.2004年,著名的“钱德拉”X射线观测望远镜发现了一颗巨大黑洞的X射线,并将其命名为“SDSSpJ306”,它位于距离我们地球26亿光年的MS0735星团.天文学家通过对这些X射线和其所在星系的重力影响一起进行检测,推测它“出生”于127亿年前———而宇宙大爆炸发生在137亿年前.这说明,黑洞与星系同时演化,两者谁也不会单独主导早期宇宙中星体的快速诞生. 在此次观测中,天文学家们还在处于星系中心的“SDSSpJ306”黑洞的周围发现了许多新生星体,而且更多的星体正在形成之中.该发现给新出现的星系形成演化理论提供了重要的直接证据.
科学家们认为,黑洞是有质量的.黑洞一般被旋转的热气体圆盘所包围,这些热气体在以螺旋运动逐渐被黑洞吸收时会发出大量的电磁辐射.黑洞附近发光的氢原子谱线宽度与旋转速度有关.旋转速度越快,氢原子发出的谱线越宽,说明黑洞的质量越大.通过对氢原子谱线研究发现,“SDSSpJ306”黑洞有10亿个太阳重,所产生的能量更是太阳的20万亿倍.这个黑洞如此之大,以致它的引力作用范围大小与银河系相当.在这个黑洞吞噬星团的同时,还将一些热气体以射流形式喷还给宇宙,形成了两个巨大洞穴,每个洞穴的直径大约为65万光年.黑洞再次喷发出来的气体质量,相当于1万亿个太阳质量,这种喷射已经持续了1亿年之久.
黑洞有大有小.超巨黑洞的质量达到太阳的数百万甚至数十亿倍.小黑洞的质量与太阳基本处于一个数量级,主要由质量相当于太阳10倍左右的恒星发生超新星爆炸形成.超巨黑洞位于星系中心,据推测每个星系都有,质量一般约为星系总质量的0.5%.2002年10月,欧洲科学家宣布了银河系中心存在超巨黑洞的最佳证据.他们说,过去20年中,科学家们一直在观测银河系中心一些星体的活动情况,尤其对一颗名为S2的星体的运行轨道进行了跟踪研究,最终得出结论：S2附近确实存在一个巨型黑洞.质量是太阳7倍的S2,以每小时1.8亿公里的高速每15.2年绕银河系中心一周.之所以如此高速,是因为它周围存在黑洞,“害怕”被黑洞“吞噬”.经过计算,这一黑洞距地球2.6万光年,质量是太阳的370万倍. 银河系中心黑洞每年“食量”不足地球质量的1%.黑洞“食量”是根据它吞噬“食物”时发出X射线的强弱程度计算出来的.科学家还提出,如果黑洞获得了源源不断的“食物供给”,就可能从相对安静的状态中“醒来”,处于活跃状态中.
2.黑洞的种类
按组成来划分,黑洞可以分为两大类.一是暗能量黑洞,二是物理黑洞.暗能量黑洞主要由高速旋转的巨大的暗能量组成,它内部没有巨大的质量.巨大的暗能量以接近光速的速度旋转,其内部产生巨大的负压以吞噬物体,从而形成黑洞.暗能量黑洞是星系形成的基础,也是星团、星系团形成的基础.物理黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成,具有巨大的质量.当一个物理黑洞的质量等于或大于一个星系的质量时,我们称之为奇点黑洞.暗能量黑洞的体积很大,可以有太阳系那般大.但物理黑洞的体积却非常小,它可以缩小到一个奇点.
3.暗能量黑洞的形成
根据科学家们的推算,宇宙大爆炸大约发生在137亿年以前.宇宙大爆炸之后,就形成了宇宙.它由两部分组成.一是由暗能量组成的世界,称之为黑暗世界；二是物质组成的世界,称之为物质世界.黑暗世界以旋涡场的形式存在,整个宇宙空间都被各种不同大小的旋涡场所充满.而物质世界则主要是以宇宙尘埃的形式存在,它们不均匀分布在各个旋涡场之中.在一个如星系般大小的旋涡场中,以Ep来表示宇宙尘埃绕它的旋涡中心运动的总动能.该旋涡场内的暗能量则分为两部分.一部分为旋涡中心的暗能量,以En1来表示.另一部分为旋涡中心之外的暗能量,用En2来表示.以En来表示星系的总暗能量,则有En=En1+En2.宇宙尘埃的运动是由暗能量来推动的.当En=Ep时,暗能量将全部转化为宇宙尘埃运动的动能.在这种情况下,旋涡场处于一种平衡状态,它既不收缩,也不膨胀.
下面分几种情况进行讨论.
(1).恒星的形成
当旋涡场内的宇宙尘埃很多时,Ep值比En大很多,即暗能量的旋转负荷太重.在旋涡场的旋转角速度不变的情况下,我们可以得到宇宙尘埃绕旋涡中心运动的总动能公式,如下所示：
Ep=MpVp2/2=Mp(ωR)2/2…………（6）
上式中,Vp为宇宙尘埃绕旋涡中心运动的平均速度,Mp为旋涡场中宇宙尘埃的总质量,ω为旋涡场的旋转角速度,R为宇宙尘埃到旋涡中心的平均距离.根据这条公式,当宇宙尘埃向旋涡中心靠近时,Ep值就会减少.当Ep值比En大很多时,旋涡场的转动负荷太重.在这种情况下,旋涡场必定收缩,宇宙尘埃必定向旋涡中心靠近,最后沉积到旋涡中心处变成沉积物.随着时间的推移,旋涡中心处的沉积物越来越多,最后变成了一颗恒星.恒星形成之后,当En=Ep时,其余的宇宙尘埃就再也不能沉积到旋涡中心.这些余下的宇宙尘埃就会在较小的旋涡场中形成围绕恒星运动的自转行星.
(2).星系的形成
当旋涡场很大,宇宙尘埃很多,En值与Ep相差不多时,旋涡场就处于一种平衡状态.在这种情况下,这些宇宙尘埃就无法靠近旋涡中心.这个大旋涡场中有无数个较小的旋涡场.象上述(1)所说的那样,每个小旋涡场形成一个恒星,无数个小旋涡场就会形成无数个恒星.这些小旋涡场都跟随大旋涡场旋转,由此而形成星系.
(3).宇宙旋涡的形成
当旋涡场内没有宇宙尘埃,即Ep=0时,旋涡场会不断地膨胀.当旋涡场内的宇宙尘埃很少时,它的总动能与暗能量相差太远,不足以阻止旋涡场的膨胀,结果,它会被旋涡场的旋转离心力抛出场外.到最后,旋涡场内将不存在任何宇宙尘埃.内部没有宇宙尘埃的旋涡场,它的旋转角速度是均匀的.旋涡场在离心力的作用下不断膨胀,它边缘的暗能量的运动速度也在不断增加.但当它的周围都有大小与它相差不多的旋涡场时,它的膨胀就会受阻.在这种情况下,旋涡场旋转的角速度以及暗能量运动的速度就相对稳定了下来,由此而形成一个不停地转动的宇宙旋涡.当星体顺着这种宇宙旋涡的旋转方向进入时,它就会被旋涡场的旋转之力弯转1800.接着,旋涡场用离心力推动它按原路返回.离开太阳系很远的慧星之所以能够返回太阳附近,所依赖的就是这种宇宙旋涡的力量.
(4).旋涡场的分类
我们把宇宙旋涡场按大小分为如下八种：
U旋涡场：又叫宇宙旋涡场,它的范围包括整个宇宙.
S旋涡场：又叫星糸团旋涡场,它的范围包括整个星糸团.
A旋涡场：又叫叫星系旋涡场,它的范围包括整个星系.
B旋涡场：又叫星团旋涡场,它的范围包括整个星团.
C旋涡场：又叫恒星旋涡场,它的范围被局限于恒星周围,包括所有行星的运行轨道.
D旋涡场：又叫行星旋涡场,它的范围被局限于行星周围,包括所有卫星的运行轨道.
E旋涡场：又叫卫星旋涡场,它的范围被局限于卫星周围.
F旋涡场：比E类旋涡场小的旋涡场.
(5).星系黑洞的形成
在每个星系的中心都有一个旋涡场,称之为星系旋涡中心.根据上述星系的形成原理,在它刚形成的时候,星系旋涡中心是没有宇宙尘埃的.在旋转离心力的作用下,它自然会向外膨胀.但在它的周围布满了很多大小与它相当的旋涡场,所以,它的膨胀受阻.各种旋涡场的旋转离心力在旋涡场边缘互相对抗,不断地进行对比和较量.经过很长一段时间之后,它们的对抗之力达到一种相对平衡状态.最后,星系旋涡中心的范围就被固定了下来.
由于星系旋涡中心是星系旋涡场的动力中心,所以,它内部贮藏的暗能量在星系中是最强大的.在强大暗能量的推动下,星系旋涡中心的旋转速度越来越快,暗能量在强大离心力的作用下不断地向旋涡中心的边缘集中,星系旋涡中心的中部地带的暗能量不断地被抽走,越来越少.最后,星系旋涡中心的内部就变成了一种真空状态,至此,它的旋转速度才能稳定下来.而星系旋涡中心的边缘就形成了一个由高速旋转的暗能量组成的圆盘,它把星系旋涡中心紧紧地包围了起来.这个高速旋转的圆盘带动周围的气体运动,使之发生激烈磨擦而发热,由此而变成了一个热气体圆盘.这个内部成为真空状态的星系旋涡中心就是一个暗能量黑洞,称之为星系黑洞.
星系黑洞被一个热气体圆盘所包围.这个圆盘的旋转速度有多大呢?在星系黑洞的形成过程中,它内部是没有质量的,即在旋涡中心内部不存在物质运动的动能.所以,它的虚拟质量为零.根据暗能量的动能公式En=MnVn2/2,当虚拟质量Mn=0时,圆盘中暗能量的速度Vn将达到无穷大.但实际上,宇宙黑洞会吸入物质,所以,圆盘的速度不可能达到无限大.将光子的性质与这个圆盘进行比较,两者的质量都接近零.由此类推,这个热气体圆盘的旋转速度应该接近光速.
由于星系黑洞是A旋涡场的旋转中心,所以我们又称之为A黑洞.
(6).星团黑洞
在星系中有很多B旋涡场.当B旋涡场内有很多宇宙尘埃,En值与Ep相差不多时,B旋涡场就处于一种平衡状态.在这种情况下,这些宇宙尘埃就无法靠近旋涡中心.B旋涡场内也有很多C旋涡场.象上述(1)所说的那样,每个C旋涡场形成一个恒星,很多C旋涡场就会形成很多恒星.这些恒星围绕B旋涡场的中心旋转,由此而形成一个星团.
在每个星团的中心都有一个旋涡场,称之为星团旋涡中心.很显然,星团旋涡中心内部是没有宇宙尘埃的.最后,它也象星系旋涡中心一样发展为一个暗能量黑洞,称之为星团黑洞.很显然,星团黑洞比星系黑洞小很多.星团黑洞的形成过程请参看第(5)部分内容.
由于星团黑洞是B旋涡场的旋转中心,所以我们又称之B黑洞.
(7).星系团黑洞
宇宙中有很多S旋涡场.当S旋涡场内聚集到很多星系时,就会形成一个星系团.产生星系团的条件是：星系绕星系团中心旋转的总动能约等于S类旋涡场的暗能量.在每个星系团的中心有一个旋涡场,称之为星系团旋涡中心.最后,它也象星系旋涡中心一样发展为一个暗能量黑洞,称之为星系团黑洞.由于它是S旋涡场的旋转中心,所以,又称之为S黑洞.星系团黑洞的形成过程请参看第(5)部分内容.
(8).宇宙中心黑洞
宇宙是一个大旋涡场,称之为U旋涡场.它的范围包括整个宇宙.所以,U旋涡场的中心就是宇宙的中心.在宇宙的中心有一个旋涡场,称之为宇宙中心旋涡场.最后,它也象星系旋涡中心一样发展为一个暗能量黑洞,称之为宇宙中心黑洞.由于它是U旋涡场的旋转中心,所以又称之为U黑洞.宇宙中心黑洞的形成过程请参看第(5)部分内容.
综上所述,暗能量黑洞分为四种类型,从大到小排列如下：U黑洞、S黑洞、A黑洞和B黑洞.U黑洞是宇宙中最大的黑洞,而且它是宇宙的旋转中心.
4.黑洞引力公式
根据上述理论,暗能量黑洞由如下两部分组成：一是热气体圆盘,二是被热气体圆盘所包围的宇宙真空.很显然,在热气体圆盘的内部和外部之间形成了一种压强差,它内部的压强比它外部低很多.我们用P1和P2分别来表示热气体圆盘的外部压强和内部压强,用P来表示它们的正压强差,则P=P1-P2.很显然,正压强的方向是从热气体圆盘的外部指向它的内部的.用V来表示热气体圆盘的旋转速度,用En1来表示它的暗能量.用L来表示黑洞的体积.则,我们可以得到如下公式：
P=KEn1V/L …………（7）
公式(7)中,K为一个比例系数,称之为暗能量黑洞的引力常数.公式(7)的意思是：黑洞内外的正压强差与黑洞内的暗能量和黑洞圆盘的旋转速度的乘积成正比,与黑洞的体积成反比.
当一个物体接触热气体圆盘时,两者之间就会产生一个接触面积,用S来表示.我们用F来表示黑洞对该物质的吸引力,则可得到如下公式：
F=PS=KSEn1V/L …………（8）
公式(8)就是黑洞对物体的引力公式.很显然,黑洞对物体的引力与物体的质量大小无关.对于巨大黑洞来说,它的暗能量非常强大,它的旋转速度接近光速.所以,这种黑洞的引力非常巨大.
黑洞吸引物体是有一个过程的.当物体在黑洞的周围但未接触黑洞的热气体圆盘时,物体被黑洞吸引的受力面积S=0,则黑洞对物体的引力F=0.它意味着,黑洞外部的物体运动与黑洞的引力无关.星系中所有的恒星都绕黑洞运动,是因为黑洞是星系旋涡场的旋转中心,而不是因为受到黑洞引力的作用.
当物体接触热气体圆盘时,它就会受到黑洞的引力.但刚接触时的引力很小,而圆盘周围的气流速度却非常大.在这种情况下,物体必然被圆盘气流带动,并跟随气流而去.随着物体与圆盘的接触面增大,黑洞对物体的引力也在增大.当黑洞对物体的引力比物体绕黑洞运动的离心力大时,它就会被吸入黑洞之中.这种情况表明,虽然黑洞的引力与物体的质量无关,但物体被黑洞引力吸入洞内的过程却与物体的质量有关.
在物体进入黑洞之后,该物体就会被黑洞内部的压强所包围.物体内部的压强与它在黑洞外部时的压强相等.所以,在物体的内部和外部之间就形成了一种压强差,根据公式(7)就可以求出它的值.正压强差的方向是从物体内部指向外部的,受力面积包括物体的全部表面.结果,物体的整个表面同时受到强横无比的拉力,在刹那之间它就会被这种强大的拉力撕得粉碎,最后变成了气态状.
当光子进入黑洞时,它也会被黑洞的引力所包围.光子内部的压强与它进入黑洞之前是一样.所以,在光子的内部和外部之间就会形成强横无比的压强差.结果,象上面所叙述的一样,在光子进入黑洞的刹那之间就会被黑洞的引力撕得粉碎.所以,在光子进入黑洞后,它是无法从黑洞中逃出来的.
结论：包括光子在内的任何物体,它们进入暗能量黑洞之后都会在刹那之间爆炸开来,变成气态状.