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我们是如何计算出宇宙中有多少个黑洞的?
2022-07-10

正在爆发的超新星

新浪科技讯 北京时间12月3日消息,据国外媒体报道,黑洞比宇宙中许多物体都要古老,其数量也非常庞大。它们的起源和形成讲述了宇宙的过去和未来。如果斯蒂芬·霍金看到今天科学领域中与黑洞相关的研究进展,他将会非常高兴。他的梦想和愿景不仅是理解黑洞的整体功能,还包括对黑洞进行真切的观测。

毕竟,霍金不仅重新了定义先前有关黑洞的假设,还使原本围绕黑洞的纯粹猜测有了一定依据。正是在他的研究基础上,今天的物理学家才能取得一系列重大进展。“黑洞”这个词本身可能会在你脑海中引发一系列联想,让你以为这是一种致命的天体,能带来潜在的灾难。然而,我们仍然无法完全领略黑洞的真正美丽之处和强大的力量。接下来,让我们试着走近宇宙中这些依然笼罩着神秘色彩的区域。

什么是黑洞?

黑洞通常指的是宇宙空间中的一个区域,那里的引力非常巨大,无论是物质还是辐射,甚至光,都难以从黑洞内部逃脱出来。也正因为如此,我们无法直接看到它们。

黑洞产生的最常见原因是恒星的死亡。因此,尽管不可能看到黑洞,但我们可以使用非常先进的望远镜来观察黑洞邻近恒星的结构和行为。当这些恒星靠近黑洞时,它们会表现出很不一样的行为。

黑洞的组成

黑洞的事件视界与周围的吸积盘

首先我们要了解什么是“事件视界”。这是一种时空的曲隔界线,也可以认为是黑洞的边界。旋转黑洞的事件视界分为外部视界和内部视界;非旋转黑洞也称为史瓦西黑洞,内外视界重合。越过事件视界时,黑洞能有效地将落入其中的物质质量转化为能量。事件视界的概念最早由18世纪英国自然哲学家约翰·米歇尔提出,后来由沃夫冈·林德勒确定为专门的术语。

关于黑洞的另一个有趣概念是“奇点”,即黑洞整个质量在空间和时间上集中的一点。在这一点上,物质被压缩为体积非常小的点,密度极高,向内吸引力极强。按照广义相对论,只要形成一个无自转的史瓦西黑洞,其事件视界内的物质必然在引力作用下坍塌称一个密度无限大的点,即奇点。目前已知的物理定律会在奇点失效,单个实体也失去了意义。

黑洞是如何形成的?它们的大小如何?

虽然大多数科学家认为,第一批黑洞是在宇宙最初开始膨胀时出现的,但后来的“恒星”黑洞则是在超大恒星的核心坍缩时形成的。不过,超大质量黑洞被认为是与它们所在的星系同时形成的。

大多数黑洞(如果不是所有的话)都有一个共同点,那就是它们在母恒星死亡后所经历的路径。当恒星的燃料耗尽时,发生的第一个过程是氢转化为氦,然后当氢耗尽时,氦进一步燃烧并转化为更重的元素。由于恒星核心的质量很大,可以使坍缩过程无休止地进行下去,最终形成密度高到无法想象的黑洞。

黑洞的大小范围非常惊人!有些黑洞(微型黑洞)只有一个原子那么小,而有些则非常庞大,甚至可以一口吞噬整个星系,能够将大约100万颗恒星聚拢在一起。

我们如何定位黑洞?

黑洞奇点的可视化图像

这个问题乍看起来似乎很荒谬,有人会说,如果光都无法从黑洞中逃逸的话,我们怎么可能定位黑洞?然而,通过仔细观察黑洞的特征,科学家已经有好几种方法对它们进行远距离精确定位。

第一种方法是密切关注黑洞的引力作用。任何黑洞都会导致邻近的实体向它靠近,并环绕在黑洞周围,最终落入稠密的单向路径。虽然这个方法听起来很简单,但并不实用,因为它在很大程度上需要依赖运气。许多其他现象也会对恒星和行星产生类似的影响,因此这只是一种试验性的方法。

第二种方法包括寻找可能的X射线信号。当物质落入黑洞时,会聚集在一个密集的环状结构中,就在事件视界处。在某些情况下,极高的能量会转化为辐射释放出来,使得寻找这些宇宙中的庞然大物成为可能。

宇宙中有多少个黑洞?

黑洞的密度会随空间属性的变化而变化,比如星系的类型,以及星系中发现的恒星类型等等。为了估计某个星系中黑洞的数量,我们需要对其中的尘埃和气体形成进行敏锐的观察。相邻两个黑洞的行为很大程度上受到彼此引力的影响,这反过来限制了两个黑洞之间的距离。

科学家估计,在可观测宇宙中,在我们能感知的范围内,大约有100万亿个黑洞。这个数字看起来很大,但其中只有100到200个黑洞得到了准确定位。

例如,科学家已经发现了超大质量黑洞和类星体如1ES 2344+514、天炉座A(Fornax A)的存在;HLX-1是目前已知光度最高的超亮X射线源,被认为是一个中等质量黑洞;此外,科学家还发现了GX 339-4/V821 Ara等恒星黑洞。

除此之外,研究者还提出了黑洞系统的概念,它指的是在一定范围内存在不止一个黑洞。这些系统具有独特的属性,要么来自于系统中最大的黑洞,要么是所有黑洞属性的综合结果。

我们如何估计黑洞的数量?

想要估计宇宙中黑洞的近似数量,第一步是根据某些特征(比如与某个星系或恒星的靠近程度)来划分区域。通过观察同一组属性,并将其应用于同一区域的不同点,就可以估算出平均的黑洞数量,这其中可以有10到20个黑洞的误差。

下一步是寻找多个关键区域之间的相似性,并将黑洞归类为超新星、类星体等。由于每一种类型的黑洞实体都具有非常截然不同的特征,因此在一定范围内找到更多相同类型的黑洞实体是可能的。

关于黑洞的研究一直在不断扩展。要理解黑洞所有的奥秘,可能需要许多人一生的时间。这是一场艰难的冒险,但可以告诉我们更多关于宇宙未来和过去的信息。或许只有时间才能证明科幻作品中所描绘的场景是否真实。