黑洞的秘密

　　新聞報道１：在浩瀚的銀河系的中心，有一個超級黑洞在不停地吞噬周邊的物質。除此之外，銀河系中還有成百上千個中型黑洞，它們也在瘋狂地吸取物質。人們擔心，總有一天，地球也會被黑洞吸進去，人類及其創造的文明就再也回不來了…… 　　新聞報道２：國外媒體報道，自從蒸汽機被發明以來，人類再一次研製出了在一些人眼中具備「摧毀地球」能力的科學機器，這就是大型強子對撞機（LHC）。這個關於「地球毀滅」故事源於大型強子對撞機的工作原理。粒子物理學家在對撞隧道內加速粒子並進行碰撞，產生出非常高的能量。當這些粒子的質量開始捲曲，並小於史瓦西半徑所要求的粒子質量時，就會形成了一個微小的黑洞。人們擔心，這個似乎從潘多拉盒子中跑出的怪物開始一點點地吞噬周圍的物質，並逐漸長大，直到最後將地球徹底吞掉。 　　新聞報道３：英國《每日郵報》報道，俄羅斯宇宙學家維切列夫·道庫恰耶夫稱，儘管黑洞被認為是太空中最具破壞性的力量，然而它內部的環境條件卻適合生命存在，更令人震驚的是，擁有「超級文明」的外星人可能已存在於黑洞里。人們好奇，黑洞中真的存在高等生命嗎？ 　　黑洞為何如此神秘？人們如何能觀測到黑洞？銀河中的黑洞離我們有多遠？黑洞會吞噬地球嗎？黑洞內部可能存在外星人嗎？本刊記者帶著這些問題採訪了北京師範大學物理系劉文彪教授，請他就上述問題從科學角度進行了解讀。 　　黑洞為何如此神秘？ 　　《百科知識》：在高深的天體物理科學中，「黑洞」似乎是我們最熟悉的詞語之一了，但仔細一想，卻好像又說不出個所以然來。黑洞到底是什麼？ 　　答：從天文學角度講，黑洞是一種非常神秘的天體：恆星級黑洞的體積很小，但密度卻大得驚人，每立方厘米就有幾百億噸甚至更高。由於它的密度大，所以引力也特彆強大。不管什麼東西，只要被它吸進去，就別想「爬」出來，連速度最快的光也逃脫不掉黑洞的巨大引力。黑洞按其體積可分為大、中、小三類。我們常說的中型黑洞是大質量恆星在生命終結時，經歷爆發、內陷和坍縮後留下的，它是恆星晚期演化的一種歸宿。而大型黑洞則存在於很多星系的核心中，包括銀河系。小黑洞是一種原初黑洞，可能形成於宇宙早期。小黑洞的體積只有原子核那麼大，質量和一座山差不多，達到上億噸，裡面蘊藏的能量相當於10個大型的發電站。 　　 　　《百科知識》： 我們常說的黑洞是大質量恆星衰亡後坍縮形成的，這個過程是如何實現的？ 　　答：當一顆恆星衰老時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料（氫），由中心產生的能量已經不多了。這樣，恆星開始塌縮；如果恆星的剩餘質量不大，最後形成白矮星或中子星。但如果剩餘的質量超過3~4個太陽的質量，它就再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，物質將不可阻擋地向著中心點進軍，直到最後形成體積非常小、密度非常大的星體。而當它的半徑一旦收縮到一定程度（小於史瓦西半徑），質量導致的時空扭曲就使得即使光也無法向外射出——「黑洞」誕生了。 　　《百科知識》：是不是所有恆星最後坍塌後都形成黑洞？太陽衰亡後也會成黑洞嗎？ 　　答：並不是所有的恆星都能成為黑洞，只有巨大的恆星，即最終剩餘的物質質量大於3個太陽質量時，恆星將不斷塌縮，巨大的引力將切斷星體中所有物質與外界的聯繫，最終形成黑洞。因為太陽質量小，所以它衰亡後是不會成為黑洞的。 　　《百科知識》：為什麼黑洞會吸入星際物質？它為什麼會有那麼強的吞噬能力？ 　　答：這主要還是通過強大的引力場。一般來說，通常人們提及的黑洞大多是指由於大質量的恆星崩坍後形成了體積足夠小、引力場足夠強的天體。只要物質進入到其鄰近的一定區域內，黑洞就可以吸進包括光線在內的任何東西，使它們無法以任何物理機制獲得向外逃逸的機會。宇宙黑洞是靠狂吞周圍星體的氣體、光線來不斷膨脹。 但關鍵問題是這個「怪物」的胃口到底有多大？這樣一直無休止地「大吃大喝」，它是怎麼辦到的？這在目前還是一個有爭論的謎。 人類如何觀測到黑洞？ 　　《百科知識》：由於黑洞本身不發光，所以人類用任何強大的望遠鏡都看不見黑洞，我們怎樣知道它的存在？ 　　答：我們無法直接觀測到黑洞，因為任何東西，包括光線一旦進入其邊界就無法逃脫它的吸引，活像一個有魔力的無底洞。但我們卻可以間接觀測到黑洞。當恆星繞著黑洞轉，並最終掉入黑洞時，會非常的亮。尤其是當恆星離黑洞的距離大概是兩到三個史瓦西半徑時，會發生閃耀現象，這是因為恆星被撕成了碎片。宇宙當中也存在很多氣體，氣體距離黑洞越來越近的時候，可以通過觀測看到是否有黑洞吸積物質。 　　《百科知識》：宇宙中有多少黑洞？ 　　答：黑洞是由於質量大的恆星死亡後，在自身塌陷後形成的密度異常大，引力異常大的天體。因此，只要有質量足夠大的恆星，其死亡後，就很可能形成黑洞。可見，宇宙中黑洞數不勝數。銀河系中存在數百億顆恆星，有10億顆發著黃光的老年恆星。一些科學家認為，如果按常規推測，每天至少有1顆恆星死亡，因此可以判斷我們銀河系存在的黑洞必定不會少。 　　 　　《百科知識》：有新聞報道說銀河系中央有一個巨大的黑洞？ 　　答：通過觀測發現，每個巨大星系中心都存在超巨大黑洞。銀河系中有數百億顆恆星，他們都在圍繞著銀河系的中心高速旋轉，是什麼力量帶動這些恆星旋轉？一定有一個非同尋常的巨大引力在牽引這些恆星。對這個中心我們無法直接看到其內部，但通過對恆星的運動軌跡的觀測，可以算出其中心的質量，據推測它很可能是一個超大質量黑洞，質量大約是太陽的400萬倍，但佔據的空間很小，通過吞噬周圍的星際氣體不斷成長。也就是說我們所居住的銀河系的中心部位，所有銀河系的恆星都圍繞銀心部位可能存在的一個超大質量黑洞公轉。目前觀測到的距離地球最近的黑洞應該就在銀河系中，銀河系的直徑在13萬光年的量級，而太陽距離銀河系的中心大約為2.6萬光年，因此實際上我們距離銀河系的中心黑洞並不遙遠。而銀河系中太陽系附近的其他恆星系統中，很有可能就有恆星級的黑洞存在，它們和我們的距離有可能更近。 　　黑洞會對人類造成威脅嗎？ 　　《百科知識》：您剛才說，銀河系中存在很多黑洞，黑洞能夠吞噬包括恆星在內的任何物質，只要離它足夠近。黑洞又不是固定不動的，那麼有一天它遊離到太陽系附近，黑洞會吞噬太陽嗎？ 　　答：無論是銀河系中心的超大質量黑洞還是恆星級的黑洞，目前看來沒有對地球產生異常影響的任何跡象。黑洞確實可以吞掉地球，但問題在於我們地球甚至太陽系並不在黑洞吞噬和吸引範圍之內。即使太陽系周圍確實存在巨大的黑洞，甚至我們太陽在銀河系裡圍繞著一個黑洞在旋轉，這個黑洞就是很強的引力場，這與我們地球圍繞著太陽旋轉沒有本質的區別。 　　 　　《百科知識》：如果有一天真的在太陽系旁發現了大黑洞，那麼對我們有什麼影響嗎？ 　　答：像黑洞誕生和形成這樣的天文事件是以千萬年甚至億年來計算的。與之相比，人類太渺小和短暫了，所以即使離地球較「近」的黑洞有什麼變化，也是極其緩慢的，很難在未來千年的尺度上發生什麼大變化，也就不會對地球產生什麼實質性的影響。即使是新觀測到銀河系或其他星系某個黑洞的存在，它也是早已在那裡存在，不會因為你發現了它，而有什麼異常的變化。宇宙中天體的形成和演化類似於我們地球上生命的誕生和消亡，只是時間和空間尺度更大而已，本是十分平常的事情。我們大可不必為發現了黑洞而擔心，因為我們的天文觀測可以看到數十億甚至上百億光年的距離，是否發現黑洞只是我們對宇宙的認識是否更多一些而已。
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