文明之尖第六章黑洞

文明之尖

我是一位小仙女

科幻网游 | 星际科幻更新时间：2021-06-28

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一个由美国、英国、意大利和奥地利科学家组成的国际研究团队，根据先前的研究和通过超级计算机的模拟，发现黑洞、引力波和暗物质均具有分形几何特征。有专家认为，这一重大发现将导致对天文学甚至物理学诸多不同领域的深刻认识。

黑洞是宇宙空间内存在的一种密度无限大、体积无限小的天体，所有的物理定理遇到黑洞都会失效；它是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而“死亡”后，发生引力坍缩产生的。当黑洞“打嗝”时，就意味着有某个天体被黑洞“吞噬”，黑洞依靠吞噬落入其中物质“成长”；当黑洞“进食”大量物质时，就会有高速等离子喷流从黑洞边缘逃逸而出。科学家利用流体动力学和引力相关理论并通过超级计算机进行模拟后得出结论——“进食”正在成长过程中的黑洞，将会使其形成分形表面。

“黑洞”一词命名者、美国著名物理学家约翰·惠勒教授曾经说过：今后谁不熟悉分形几何，谁就不能被称为科学上的文化人。天朝著名学者周海中教授曾经指出：分形几何不仅展示了数学之美，也揭示了世界的本质，从而改变了人们理解自然奥秘的方式；可以说分形几何是真正描述大自然的几何学，对它的研究也极大地拓展了人类的认知疆域。可见，分形几何有着极其重要的科学地位。

黑洞是宇宙中最神秘的自然现象。它为什么具有分形几何特征，其原因还是一个谜。

储存资料

几十年来宇宙学家一直对黑洞会摧毁制造它的资料的问题所困扰。黑洞是由它的质量、能量、旋转所定位。

假如是这样那就无法知道最先是什么让它产生的。另一方面量子力学说资料永远会被保存，而且你可以用那些资料重建它的过去。

史蒂芬·霍金让这问题加大，当他说黑洞会漏辐射。黑洞会漏辐射到摧毁自己，然后可以知道它是由什么产生的只有在那些辐射的资料里面可以找到。

在2004年霍金说他错了，而是否黑洞会储存资料的辩论就从此没有停止过。布法罗大学的博士生AnshulSaini说黑洞释放出的辐射（也称作霍金辐射）并不像霍金想的那么随意。

Siani说要了解跑进洞里的资料，你不只需要看霍金辐射释放出的粒子，你还需要看它们如何互应。这包括引力与粒子传送光给对方的方式。他说“这些关联一开始很小，但会随着时间成长。”

Saini的监督者DejanStojkovic博士说“这些关联在计算中时常被忽略因为它们很小被认为不会有很大的影响。我们的计算显示这些关联一开始很小，但随着时间它会成长大到可以影响结果。”

许多物理学家们都做出了结论说黑洞里的资料一定会留下，所以可以让我们回顾那些资料，但他们理论的基础是用资料保存的广义论。

霍金自己跟其他人想要展示一个观察者如何可以得到那些资料的方法并没有很大的说服力。

实际上要了解制造一个黑洞的成分几乎是不可能的任务。任何观察者都会需要收集照射到不同方向的粒子。

还需要收集让这互动成型的介质像是光子和引力子。不过对于宇宙学家这可能性是小事，真正重要的是守恒律有被保存。

黑洞的存在部分地证实了它的预言。在宇宙中存在几百万个黑洞，它的存在总是需要起到一些作用的。如果要想彻底揭开黑洞之谜，还需时间，这也意味着给予有关人类终极命运的思索一个明确的答案。

等离子体

德国马克斯普朗克核物理研究所和赫尔姆霍茨柏林中心的研究人员使用柏林同步加速器（BESSYⅡ）在实验室成功产生了黑洞周边的等离子体。通过该研究，之前只能在太空由人造卫星执行的天文物理实验，也可以在地面进行，诸多天文物理学难题有望得到解决。黑洞的重力很大，会吸附一切物质。进入黑洞后，任何东西都不可能从黑洞的边界之内逃逸出来。随着被吸入的物体的温度不断升高，会产生核与电子分离的高温等离子体。

黑洞吸附物质会产生X射线，X射线反过来又会刺激其中的大量化学元素发射出具有独特线条（颜色）的X射线。分析这些线条可以帮助科学家了解更多有关黑洞附近等离子体的密度、速度和组成成分等信息。

在这个过程中，铁起了非常关键的作用。尽管铁在宇宙中的储量并不如更轻的氢和氦丰富，但是，它能够更好地吸收和重新发射出X射线，发射出的光子因此也比其他更轻的原子发射出的光子具有更高的能量、更短的波长（使得其具有不同的颜色）。

铁发射出的X射线在穿过黑洞周围的介质时也会被吸收。在这个所谓的光离化过程中，铁原子通常会经历几次电离，其包含的26个电子中有超过一半会被去除，最终产生带电离子，带电离子聚集成为等离子体，研究人员可以在实验室中重现了这个过程。

实验的核心是马克斯普朗克核物理研究所设计的电子束离子阱。在这个离子阱中，铁原子经由一束强烈的电子束加热，从而被离子化14次。实验过程如下：一团铁离子（仅仅几厘米长并且像头发丝一样薄）在磁场和电场的作用下被悬停在一个超高真空内，同步加速器发射出的X射线的光子能量被一台精确性超高的“单色仪”挑选出来，作为一束很薄但却集中的光束施加到铁离子上。

实验室测量到的光谱线与钱德拉X射线天文台和牛顿X射线多镜望远镜所观测的结果相匹配。也就是说，研究人员在地面实验室人为制造出了太空中的黑洞等离子体。

这种新奇的方法将带电离子的离子阱和同步加速器辐射源结合在一起，让人们可以更好地了解黑洞周围的等离子体或者活跃的星系核。研究人员希望，将EBIT分光检查镜和更清晰的第三代（2009年开始在德国汉堡运行的同步辐射源PETRAⅢ）、第四代（X射线自由电子激光XFEL）X射线源结合，将能够给该研究领域带来更多新鲜活力。

人造黑洞

美国制成“人造黑洞”

2005年3月，美国布琅大学物理教授‘霍拉蒂·纳斯塔西’在地球上制造出了第一个“人造黑洞“。美国纽约布鲁克海文实验室1998年建造了20世纪全球最大的粒子加速器，将金离子以接近光速对撞而制造出高密度物质。虽然这个黑洞体积很小，却具备真正黑洞的许多特点。纽约布鲁克海文国家实验室里的相对重离子碰撞机，可以以接近光速的速度把大型原子的核子（如金原子核子）相互碰撞，产生相当于太阳表面温度3亿倍的热能。纳斯塔西在纽约布鲁克海文国家实验室里利用原子撞击原理制造出来的灼热火球，具备天体黑洞的显著特性。比如：火球可以将周围10倍于自身质量的粒子吸收，这比所有量子物理学所推测的火球可吸收的粒子数目还要多。

人造黑洞的设想最初由加拿大“不列颠哥伦比亚大学”的威廉·昂鲁教授在20世纪80年代提出，他认为声波在流体中的表现与光在黑洞中的表现非常相似，如果使流体的速度超过声速，那么事实上就已经在该流体中建立了一个人造黑洞。然而，利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足够的引力，除了光线外，它们无法像真正的黑洞那样“吞下周围的所有东西”。然而，纳斯塔西教授制造的人造黑洞已经可以吸收某些其他物质。因此，这被认为是黑洞研究领域的重大突破。

欧洲“人造黑洞”

2008年9月10日，随着第一束质子束流贯穿整个对撞机，欧洲大型强子对撞机正式启动。

欧洲大型强子对撞机是2013年前世界上最大、能量最高的粒子加速器，是一种将质子加速对撞的高能物理设备，它位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的粒子加速器与对撞机，作为国际高能物理学研究之用。系统第一负责人是英国著名物理学家‘林恩·埃文斯’，大型强子对撞机最早就是由他设想出来并主导制造的，被外界称为“埃文斯原子能”。

当比我们的太阳更大的特定恒星在生命最后阶段发生爆炸时，自然界就会形成黑洞。它们将大量物质浓缩在非常小的空间内。假设在大型强子对撞机内的质子相撞产生粒子的过程中，形成了微小黑洞，每个质子拥有的能量可跟一只飞行中的蚊子相当。天文学上的黑洞比大型强子对撞机能产生的任何东西的质量更重。据爱因斯坦的相对论描述的重力性质，大型强子对撞机内不可能产生微小黑洞。然而一些纯理论预言大型强子对撞机能产生这种粒子产品。所有这些理论都预测大型强子对撞机产生的此类粒子会立刻分解。因此它产生的黑洞将没时间浓缩物质，产生肉眼可见的结果。

质量测定

国家天文台提供的星云图

中科院国家天文台研究员刘继峰领导的国际团队在世界上首次成功测量到X射线极亮天体的黑洞质量，在该领域获得重大突破，将增进人们对黑洞及其周围极端物理过程的认识。该研究成果2013年11月28日发表在国际杂志《自然》上。20世纪90年代以来，天文学家陆续在遥远星系中发现了一批X射线光度极高的天体，它们可能是人们一直寻找的中等质量黑洞，也可能是具有特殊辐射机制的几个或几十个太阳质量的恒星级黑洞。国际天文和天体物理界对此一直难以定论。由于这类天体距离我们十分遥远，通常为几千万光年，同时X射线照射黑洞吸积盘而产生的光污染也非常强，因此测量极其困难。

刘继峰团队选取有特色的天体目标，成功申请到位于美国夏威夷的8米大型双子望远镜以及10米凯克望远镜各20小时的观测时间，在3个月的时间跨度上对漩涡星系中X射线极亮源M101ULX－1进行了研究，并确认其中心天体为一个质量与恒星可比拟的黑洞。这个黑洞加伴星形成的黑洞双星系统位于2200万光年之外，是人类迄今发现的距离地球最遥远的黑洞双星。

2017年12月7日，美国卡耐基科学研究所科学家发现有史以来最遥远的超大质量黑洞，该黑洞质量是太阳质量的8亿倍。这与现今宇宙中发现的黑洞有着很大不同，此前发现的黑洞质量很少能超过几十倍的太阳质量。

黑洞炸弹

2001年1月，英国圣安德鲁大学著名理论物理科学家乌尔夫·利昂哈特宣布他和其他英国科研人员将在实验室中制造出一个黑洞，当时没有人对此感到惊讶。然而俄《真理报》日前披露俄罗斯科学家的预言：黑洞不仅可以在实验室中制造出来，而且50年后，具有巨大能量的“黑洞炸弹”将使如今人类谈虎色变的“原子弹”也相形见绌。

人造黑洞的设想由威廉·昂鲁教授提出，他认为声波在流体中的表现与光在黑洞中的表现非常相似，如果使流体的速度超过音速，那么事实上就已经在该流体中建立了一个人造黑洞现象。但利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足够的引力，除了光线外，无法像真正的黑洞那样“吞下周围的所有东西”。

俄罗斯科学家亚力克山大·特罗菲蒙科认为，能吞噬万物的真正宇宙黑洞也完全可以通过实验室“制造出来”：一个原子核大小的黑洞，它的能量将超过一家核工厂。如果人类有一天真的制造出黑洞炸弹，那么一颗黑洞炸弹爆炸后产生的能量，将相当于数颗原子弹同时爆炸，它至少可以造成10亿人死亡。”

捕捉星云

星云正接近银河中央黑洞

2011年12月，一个国际研究小组利用欧洲南方天文台的“甚大望远镜”，发现一个星云正在靠近位于银河系中央的黑洞并将被其吞噬。

这是天文学家首次观测到黑洞“捕捉”星云的过程。观测显示，这个星云的质量约是地球的3倍，它的位置来逐渐靠近“人马座A星”黑洞。这个黑洞的质量约是太阳的400万倍，是距离我们最近的大型黑洞。研究人员分析认为，到2013年，这个星云将离黑洞非常近，有可能被黑洞逐渐吞噬。

另外，黑洞并不是实实在在的星球，而是一个几乎空空如也的天区。黑洞又是宇宙中物质密度最高的地方，地球如果变成黑洞，只有一颗黄豆那么大。原来，黑洞中的物质不是平均分布在这个天区的，而是集中在天区的中心。这个中心具有很强的引力，任何物体只能在这个中心外围游弋。一旦不慎越过边界，就会被强大的引力拽向中心，最终化为粉末，落到黑洞中心。因此，黑洞是一个名副其实的太空魔王。

黑洞内部只有三个物理量有意义：质量、电荷、角动量。

1973年霍金、卡忒尔（B.Carter）等人严格证明了“黑洞无毛定理”：“无论什么样的黑洞，其最终性质仅由几个物理量（质量、角动量、电荷）惟一确定”。即当黑洞形成之后，只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量，其他一切信息（“毛发”）都丧失了，黑洞几乎没有形成它的物质所具有的任何复杂性质，对前身物质的形状或成分都没有记忆。于是“黑洞”的术语发明家惠勒戏称这特性为“黑洞无毛”。

对于物理学家来说，一个黑洞或一块方糖都是极为复杂的物体，因为对它们的完整描述，即包括它们的原子和原子核结构在内的描述，需要有亿万个参量。与此相比，一个研究黑洞外部的物理学家就没有这样的问题。黑洞是一种极其简单的物体，如果知道了它的质量、角动量和电荷，也就知道了有关它的一切。黑洞几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的形状或成分都没有记忆，它保持的只是质量、角动量、电荷。消繁归简或许是黑洞最基本的特征。有关黑洞的大多数术语的发明家约克·惠勒，在60年前把这种特征称为“黑洞无毛”。

如何产生

超大质量黑洞的形成有几个方法。最明显的是以缓慢的吸积（由恒星的大小开始）来形成。另一个方法涉及气云萎缩成数十万太阳质量以上的相对论星体。该星体会因其核心产生正负电子对所造成的径向扰动而开始出现不稳定状态，并会直接在没有形成超新星的情况下萎缩成黑洞。第三个方法涉及了正在核坍缩的高密度星团，它那负热容会促使核心的分散速度成为相对论速度。最后是在大爆炸的瞬间从外压制造太初黑洞。超大质量黑洞平均密度可以很低，甚至比空气密度还要低。这是因为史瓦西半径与其质量成正比，而密度则与体积成反比。由于球体（如非旋转黑洞的事件视界）体积是与半径立方成正比，而质量差不多以直线增长，体积增长率则会更大。故此，密度会随黑洞半径增长而减少。在黑洞的中心，是物理学中最为神秘的物质之一——奇点，也就是时间、空间和一切已知的物理学法则土崩瓦解的所在点。

时间倒流

在热力学的角度，时空也被认为是全息图，根据全息原理，其与给定区域内的表面积有关，也可进一步解释为热力学的时间方向。由于过去和将来的全息屏区域在不同的方向增加，因此时间的方向可以对应着两种不同类型的全息屏。

2016年，科学家杰希.陈安预言，黑洞可能是一个时间静止的状态。

恒星级黑洞

2019年11月，天朝天文学家利用郭守敬望远镜（LAMOST）发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞，并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。

这颗70倍太阳质量的黑洞远超理论预言的质量上限，颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知，有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

北京时间2019年11月28日，国际科学期刊《自然》发布了天朝科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的这一项重大发现。

中等质量黑洞

美国和欧洲的天文学家宣布，他们首次探测到了一个中等质量的黑洞。这项由超过1500名研究人员参与的引力波探测研究显示，约70亿年前，质量分别为太阳的66倍和85倍的两个黑洞，在发生激烈碰撞后，形成了一个新的中等质量黑洞。这也是人类迄今探测到的首个中等质量黑洞。

中等质量黑洞介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间，质量为太阳的100到1000倍。此次探测到的中等质量黑洞其质量是太阳的142倍。

观测成果编辑语音

2021年4月14日，上海天文台公布最新观测成果，多波段“指纹”被成功捕获。