4月10日,一條消息將讓全世界物理學界為之沸騰:“千呼萬喚始出來”,位于全球各地的“事件視界望遠鏡”(EHT)拍攝到的首張黑洞圖像將于當日新鮮“出爐”。黑洞,這個恍若鬼魅的天體又開始霸道地侵襲我們的視野。
它是在時間和空間中形成的“洞”,不斷吞噬周圍物質(zhì),增加自己的質(zhì)量;它也是光子的“牢籠”;它貪得無厭,永不停息地吞噬著周圍的一切……這是世人繪制的黑洞的經(jīng)典圖像:既霸蠻又貪吃。但真是如此嗎?
黑洞藝術(shù)圖。
圖片來源:物理學家組織網(wǎng)黑洞藝術(shù)圖。圖片來源:物理學家組織網(wǎng)
黑洞如何形成:都是引力惹的禍
黑洞如何形成的呢?
中國科學院國家天文臺研究員陸由俊對科技日報記者說:“目前比較明確的是恒星級質(zhì)量的黑洞是恒星塌縮的遺?。欢筚|(zhì)量黑洞則有可能由其它機制產(chǎn)生的中等質(zhì)量黑洞吸積物質(zhì)長大而成?!?/span>
所有的恒星都是核聚變反應爐,在其中,輕元素(主要是氫)聚合成重元素。核聚變過程提供了恒星一生的大部分能量。不過,核燃料耗盡,由中心產(chǎn)生的能量再也無力對抗外殼巨大的重量,引力開始起主宰作用。
1928年,印度研究生薩拉·瑪尼安·錢德拉塞卡乘船來英國劍橋?qū)W習天文學。在來英途中,錢德拉塞卡算出在耗盡所有燃料之后,多大的恒星可以繼續(xù)對抗自己的引力而維持自己——這就是所謂的“錢德拉塞卡極限”,約為1.44倍太陽質(zhì)量。
陸由俊解釋說:“這一值對大質(zhì)量恒星的歸宿具有重大意義。一般來說,如果一顆恒星的質(zhì)量不到太陽質(zhì)量的9倍,會形成白矮星;9-25個太陽質(zhì)量左右的恒星會演化至超新星爆發(fā),再塌縮為中子星;而約25個太陽質(zhì)量之上的恒星會形成黑洞?!?/span>
當這一恒星收縮到某一臨界半徑(“史瓦西半徑”,以德國物理學家、天文學家卡爾·史瓦西的名字命名,他是使用愛因斯坦廣義相對論方程證明黑洞的確能夠形成的第一人)時,其表面上的引力變得如此之強,以至于光線再也逃逸不出去。
根據(jù)相對論,沒有東西能行進得比光還快。如果光都逃逸不出來,其他東西更不可能:所有東西都會被引力場拉回去。這樣,就出現(xiàn)了一個事件的集合或時空區(qū)域,光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達遠處的觀察者——我們將這一區(qū)域稱謂黑洞,將其邊界稱作事件視界。
黑洞都是來者不拒?有些很“挑食”
據(jù)物理學家組織網(wǎng)4月6日報道,一些黑洞是貪婪的貪食者,吸入大量氣體和灰塵;而其他黑洞則很挑食。
比如,此次EHT任務(wù)的主要目標,位于銀河系中央的“人馬座A*”似乎就很挑食,盡管其質(zhì)量為太陽質(zhì)量的400萬倍,但它的吸積盤卻出人意料地暗淡。吸積盤由氣體、彌散物質(zhì)等組成,圍繞黑洞或中子星轉(zhuǎn)動,遠遠看去,就像一個扁平的盤子。
而此次EHT觀察的另一個目標,即M87星系中的黑洞,則是一個貪婪的食客,其質(zhì)量介于35億至72.2億太陽質(zhì)量之間。它不僅擁有一個非常明亮的吸積盤,而且,它還噴射出明亮、快速的帶電亞原子粒子流,這一粒子流延伸約5000光年。
同樣是超大質(zhì)量黑洞,為什么“貪吃”的程度差別如此巨大?這一問題一直以來都是困擾天體物理學家的難題。
陸由俊解釋說:“原因是不同星系核心的環(huán)境不一樣。有的星系的中心由于受到諸如星系碰撞過程等的擾動,氣體沉積到中心黑洞附近,為黑洞提供了豐富的食物,以至于它們可以大快朵頤;而有的星系中心區(qū)域則比較平穩(wěn),只有少量氣體能夠到達黑洞附近,使得黑洞不得不淺斟慢酌?!?