光都逃不出黑洞,X射線流卻可以逃出去,原因何在?

宇宙中有很多 奇妙的天體,一般大家都會根據它們的名字進行想象。

那些 漂亮的星云,基本上都根據其在宇宙中 所呈現的模樣命名,比如玫瑰星云、鷹狀星云、蟹狀星云等。

宇宙中永不凋零的玫瑰星云NGC2244

那麼 黑洞是不是也如它的名字一般,是一個 黑暗的空洞呢?

其實并非如此,真實的黑洞就 像一個甜甜圈,它的中心確實為黑色,但周圍卻有著十分明亮的環狀結構。

黑洞看起來彷佛能吃下宇宙一切

黑洞到底是什麼?為什麼黑洞可以吞噬物質?X射線流是什麼?被其吞噬的物質都去哪里了?下來我們就來了解一下,為什麼 光都不能逃出黑洞X射線流卻可以從中脫離?

宇宙饕餮——黑洞

在相關定義中,黑洞是指 時空曲率達到光都無法從視界逃脫的天體

1916年,德國天文學家 卡爾·史瓦西對「視界」進行研究,他指出如果一個靜態球對稱星體的實際半徑 小于一個定值(9.8米),那麼周圍就會產生神奇的現象,也就是會出現一個「視界」。

德國天文學家卡爾·史瓦西

幾乎所有的物質進入這個界面, 都無法逃脫,就連有著宇宙第一速度的光都沒有辦法逃脫。這個天體被 美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒稱為「黑洞」。

之所以光無法逃脫,是因為黑洞有著 極強的引力,使得視界內的逃逸速度比光速大。

也正是由于黑洞將光吃掉,所以我們不僅肉眼無法觀測到,甚至此前利用望遠鏡也很難觀測到。

美國物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒

黑洞的形成

關于黑洞幾乎可以將一切宇宙中的物質吞噬的情況,事實上與其形成有很大關系。此前科學家對一顆恒星的一生進行研究,我們了解到 恒星最終都會走向滅亡

當一顆大質量恒星將內部的物質都燃燒殆盡時,就有很大幾率發生 超新星爆發

根據原恒星的質量,在超新星爆發中,其核心就會 留下一顆中子星,繼續發光發熱。但如果恒星質量更大一些,其核心就會留下一個黑洞。

哈勃衛星拍攝的超新星殘骸1E0102.2-7219(藍色)

根據愛因斯坦的相對論,當恒星向中心坍縮爆炸成黑洞時,其 核心就一直收縮,直到所有物質都成中子,此時的內部空間和時間也在 不斷壓縮中,使得核心被壓縮成一個 致密的星體

此時的黑洞中心就是一個由 黎曼曲率張量出發構建的標量多項式在趨向中心發散的奇點,這個奇點由于原恒星的超大質量(比太陽質量大幾十甚至幾百倍),也產生了 巨大的引力,使得任何靠近它的物質都會被吸收進去。

吞噬恒星的黑洞

逃離黑洞的X射線流

科學家如此命名黑洞,是因為黑洞的引力將大量的可見光都吸收進去,使得我們無法觀測到。但是在2019年,科學家模擬出口徑像地球一樣大的「 事件視界望遠鏡」,觀測到了一個位于 室女座的黑洞

為什麼黑洞可以被觀測到?

這個黑洞位于一個被命名為 M87的巨橢圓星系中,它的質量大約是太陽的65億倍,距離地球5500萬光年。

科學家拍攝下人類觀測到的 首張黑洞照片,我們才得以看到原來黑洞并非是黑漆漆的一塊,它還是會發出光芒。

拍攝的首張黑洞照片

科學家之所以可以拍到這張照片,其實就是因為發現了黑洞將氣體聚攏在周圍的時候,由于黑洞引力帶來的加速度 導致一些輻射發射出來,這些輻射在黑洞的兩端被噴射出來,其中就包括 X射線流和γ射線等其他等離子體氣流。

黑洞噴射出射流

X射線流作為 光的一種類型,自然可以發出光亮,M87發射出來的射線流長達5000光年,所以才會被科學家觀測到。

但是按理說,光不是無法逃離黑洞嗎?那為何X射線流卻可以從黑洞中逃出來?

黑洞的吸積盤

我們從黑洞的照片中可以看到,它的中心確實是一團黑色的存在,但是在周圍卻有 明亮的一團,這一圈發光的存在就被稱為 黑洞的吸積盤。霍金證明每一個黑洞都 有一定溫度,黑洞的質量越大,其溫度就越低,反之亦然。

黑洞吸積盤的形成

由于高溫氣體輻射熱能的效率會影響吸積流的 幾何和動力學特性,從而產生輻射效率較高的薄盤和輻射效率較低的厚盤,也就是說黑洞的 質量越大,周圍的 吸積盤就越明顯

黑洞強大的引力場會使得被吸引到吸積盤的 物質被壓縮,其中的熱度足夠使其激發出電磁輻射,并且大部分都處于光譜的X射線區域。

其實這些逃出來的X射線流并非從黑洞的中心發出,或許我們可以將其理解為還沒有被吞進黑洞的肚子就被吐出來了。

黑洞噴射X射線流

X射線流會促進黑洞迅速生長

這些被噴射出來的X射線流似乎不止會讓人類觀測到黑洞的存在,還在一定程度上可以 促進黑洞迅速生長。科學家通過智利拉斯坎帕納斯天文臺 大麥哲倫望遠鏡進行紅外觀測,發現一個距離地球130億光年的超大質量黑洞,經過證明這個黑洞是2015年發現的 噴射流的源頭

大麥哲倫望遠鏡

隨后又有科學家通過NASA的錢德勒X射線天文望遠鏡,從一個距離地球127億光年的超大質量黑洞中探索到天體物理噴射流的現象,這是 人類第一次在X射線中觀測到最遙遠的 天體物理噴射流

據了解,這個噴射流已經 持續了將近數十萬光年,它的噴射足夠為黑洞提供一定的供給,使得黑洞不斷生長。

錢德拉X射線天文臺目的是觀測天體的X射線輻射

黑洞并非完全吞噬物質

事實上,按照此前的說法,黑洞會將所有靠近它的物質都一并吞下,但科學家通過模擬實驗后發現并非如此。

德國漢堡的粒子加速實驗室的科學家,對 黑洞吞噬恒星的過程進行模擬

恒星在靠近黑洞后,會在很短的時間內被黑洞的引力拉扯,大量的恒星物質會在黑洞周圍延伸出一大片區域,但是進入黑洞中的恒星物質 只有1%,剩余的大部分物質都被擠壓成射線 從黑洞的兩極噴發射出

所以才會出現大量的X射線逃出的情況,這也就是經常在黑洞上演的「 物質井噴」現象。

黑洞吸積形成射流

雖然我們將黑洞視為恒星的墳墓,但根據這個實驗,我們發現黑洞也并不會將恒星的所有物質吞噬,大量的物質還是會 被拋射出去,或許這些物質在未來還 有機會形成新的恒星

當然也有一些恒星的命運會比較慘,一些小質量的恒星可能會被黑洞 直接撕碎成物質流,隨后被吞進黑洞的中心。在那里我們不知道它會發生什麼,它的結局就是一個未知數。

每個恒星進入黑洞命運皆不同

黑洞也會消亡

但是和宇宙中所有的星體一樣,恒星也會面臨消亡的一天。當黑洞周圍不再有可以吞噬的物質時,它就可能會 逐漸蒸發消失

前面我們提到黑洞本身具有 一定溫度,當黑洞的質量越小時,它的溫度就會越高,蒸發也就越快。

黑洞開始蒸發之后,就會開始收縮,隨之粒子也會在其失去質量的時候, 增大逃逸速度。但是要觀測到黑洞的消失,其實并不簡單,要麼時間太長,要麼轉瞬即逝。

一顆大質量的黑洞和小質量的黑洞相遇

霍金通過計算后得出, 一個相當于太陽質量的黑洞,完全消失殆盡可能需要大約 1x10^66年。而如果是一顆 小質量行星大小的黑洞,那麼它的蒸發速度就會很快,只需要 1x10-21秒

白洞

由于我們無法觀測到黑洞內部的情況,那些被黑洞中心吞噬進去的物質也不知去向,所以科學家就提出,或許在黑洞的另一面存在一個 白洞

而這個白洞除了與黑洞一樣有一個封閉的邊界外,其余的就 與黑洞完全相反

白洞是一個強引力源,其外部引力性質均與黑洞相同

黑洞吞噬,白洞釋放,于是那些被黑洞吞噬的物質就會從白洞這里重新回到宇宙中。在宇宙理論中還存在一種 蟲洞的說法,一些科學家認為黑洞和白洞 連接在一起就是蟲洞

蟲洞是1916年由路德維希·弗萊姆首次提出的概念

但無論是蟲洞還是白洞,目前科學家還沒有觀測到相關的天體存在,所以尚且還 處于理論和猜想中,既然黑洞能夠得以觀察,那這兩種天體或許在未來也會被觀測到。


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