黑洞：宇宙中的神秘“大胃王”

教師簡(jiǎn)介

路程

江蘇省南京市鼓樓實(shí)驗(yàn)小學(xué)科學(xué)教師、科技輔導(dǎo)員，輔導(dǎo)學(xué)生在各級(jí)科創(chuàng)大賽中多次獲獎(jiǎng)，所撰寫(xiě)的文章多次榮獲省、市、區(qū)一等獎(jiǎng)。

地球是什么形狀的呢？月亮表面的環(huán)形山是如何形成的呢？太陽(yáng)的表面溫度有多高呢？在蘇教版四年級(jí)科學(xué)下冊(cè)第二單元《地球、月球與太陽(yáng)》中，同學(xué)們一定能找到這些問(wèn)題的答案。而人類在認(rèn)識(shí)宇宙的過(guò)程中卻沒(méi)有參考資料，這是一個(gè)漫長(zhǎng)又曲折的過(guò)程，需要長(zhǎng)期不斷地觀察、推算......

浩瀚的宇宙中有許多天體，仰望蒼穹的人類從未停止對(duì)它們的探尋和思索。1915年，愛(ài)因斯坦提出了用于描述引力的理論——廣義相對(duì)論。其中最重要的是引力場(chǎng)方程，通過(guò)這個(gè)方程，可以推導(dǎo)出很多未知的現(xiàn)象和天體。1916年，德國(guó)物理學(xué)家史瓦西從這個(gè)方程中得到了廣義相對(duì)論的第一個(gè)精確解——史瓦西解，并由此推斷宇宙中可能存在一種可以把光也束縛住的絕對(duì)黑暗天體，這就是后來(lái)所說(shuō)的黑洞。

黑洞是個(gè)什么洞？

黑洞并不是洞，而是宇宙空間內(nèi)存在的一種特殊天體。它是時(shí)空中的無(wú)底深淵，是深藏不露的引力陷阱，是宇宙中神秘的“大胃王”，周圍有什么吃什么，連光都難以幸免。黑洞如此神秘，它到底是如何形成的呢？

其實(shí)，黑洞的誕生意味著一顆恒星的終結(jié)。當(dāng)恒星存在時(shí)，不斷向外釋放光和熱。但當(dāng)恒星的燃料用完后，它們會(huì)爆炸。因?yàn)楹阈亲陨淼馁|(zhì)量很大，在引力作用下，它們的物質(zhì)體積開(kāi)始無(wú)限縮小，像一個(gè)“核”。如果把地球壓縮成黑洞的話，史瓦西半徑僅為8.85毫米，也就是一個(gè)普通湯圓的大小。如果這個(gè)“核”的質(zhì)量夠大，最終就有可能形成傳說(shuō)中的黑洞——質(zhì)量超大，“脾氣”超差。

那么，質(zhì)量超大的黑洞會(huì)怎么樣呢？愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論曾說(shuō)過(guò)，質(zhì)量會(huì)扭曲時(shí)空，產(chǎn)生引力。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，地球之所以繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，是因?yàn)樘?yáng)太胖、太沉了，把時(shí)空壓出了個(gè)坑，地球順著坑滾過(guò)去了。所以，黑洞這個(gè)質(zhì)量超大的天體會(huì)產(chǎn)生超強(qiáng)引力，能把周圍的物質(zhì)源源不斷地吸引過(guò)去，甚至連光線都無(wú)法逃脫，是名副其實(shí)的“大胃王”。

2020年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的半授予羅杰·彭羅斯，他是霍金多年的合作者。羅杰·彭羅斯運(yùn)用巧妙的數(shù)學(xué)方法，證明了黑洞確實(shí)可以形成，他還對(duì)黑洞進(jìn)行了詳盡的描述。

太陽(yáng)是恒星，它也會(huì)成為黑洞？

黑洞按其質(zhì)量大小可分為3類：超大質(zhì)量黑洞、恒星黑洞、微型黑洞。超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量巨大，是太陽(yáng)質(zhì)量的幾百萬(wàn)倍甚至幾百億倍。天文觀測(cè)資料顯示，許多星系的中心都是一個(gè)巨大的超大質(zhì)量黑洞。2020年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的另外兩名獲獎(jiǎng)?wù)摺囈蚬隆じ郀柵c安德烈亞·蓋茲，各自領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)研究小組，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀察和研究，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不可見(jiàn)且極其重的物體控制著銀河系中心恒星的運(yùn)行軌道——超大質(zhì)量黑洞。這個(gè)超大質(zhì)量黑洞在銀河系的中心，被稱為“人馬座A*”的位置，大約有400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)那么大，而且能夠擾亂恒星。他們的發(fā)現(xiàn)提供了迄今為止最令人信服的黑洞證據(jù)。

微型黑洞則恰恰相反，質(zhì)量很小，小到可以和微觀世界的基本粒子相比較，也被稱為迷你黑洞。恒星黑洞，顧名思義，其質(zhì)量大小與恒星的質(zhì)量大小相當(dāng)。

太陽(yáng)是一顆恒星，給地球帶來(lái)了光和熱，維持著地球上的生命。我們賴以生存的太陽(yáng)會(huì)不會(huì)成為黑洞呢？聽(tīng)起來(lái)真有點(diǎn)可怕！

星星也和人一樣，有“生老病死”。不過(guò)，星星的壽命要比人類的壽命長(zhǎng)得多，是以“億年”為單位來(lái)計(jì)算。真是人生易老、天難老??！太陽(yáng)這顆恒星在大約46億年前誕生，壽命大約有100億年。到目前為止，太陽(yáng)的生命剛走了一半，“正值中年”，所以暫可不必?fù)?dān)心。

恒星的演化過(guò)程因?yàn)橘|(zhì)量的不同而產(chǎn)生了分岔。質(zhì)量大于8倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，還將會(huì)經(jīng)歷一個(gè)超新星爆發(fā)的階段，最后變成中子星或黑洞;而質(zhì)量小于8倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，其歸宿便和太陽(yáng)一樣，成不了黑洞，最后成為白矮星。

黑洞的真面目究竟什么樣？

2019年4月10日21時(shí)，人類終于一睹黑洞的真容！全球數(shù)百名科研人員參與合作的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目發(fā)布了他們拍到的第一張黑洞照片。

這個(gè)黑洞的位置在超巨橢圓星系M87的中心，距地球約5500萬(wàn)光年。天文學(xué)家動(dòng)用了全球8個(gè)毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)。這張黑洞照片也是通過(guò)數(shù)據(jù)和科學(xué)家后期的海量運(yùn)算得出的。因此，從2017年4月開(kāi)始拍攝，花費(fèi)將近兩年時(shí)間才與大家見(jiàn)面。

觀測(cè)黑洞的望遠(yuǎn)鏡叫作“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EventHorizon Telescope，簡(jiǎn)稱EHT），因此該團(tuán)隊(duì)也叫作EHT團(tuán)隊(duì)。在這200多人的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)中，有十余位中國(guó)科學(xué)家。

還有同學(xué)會(huì)問(wèn)：黑洞不是全黑的嗎？周圍的光圈是什么呢？黑洞在照片中光圈的中心位置，是全黑的存在。要不是這光圈，我們也看不到黑洞。黑洞會(huì)將周圍的任何東西都源源不斷地吸進(jìn)去，包括光線、無(wú)線電波，等等。所以，連光線都能吸走的黑洞，實(shí)際上是看不見(jiàn)的。

還有一些東西快速地在黑洞周圍轉(zhuǎn)啊轉(zhuǎn)，就像在一個(gè)極速旋轉(zhuǎn)的龍卷風(fēng)里一樣，轉(zhuǎn)速太快。這些東西相互摩擦后，產(chǎn)生了大量的光和熱，形成了光亮的外圈，我們將其稱為吸積盤(pán)。這次能拍到黑洞的照片，就有吸積盤(pán)的一份功勞呢！

了解了黑洞的小知識(shí)，我們才更能感受到黑洞的魅力。雖然這張黑洞照片如此模糊，可對(duì)于人類探索宇宙有著重要意義。但這些成果僅僅是人類揭開(kāi)黑洞面紗的第一步，正如愛(ài)因斯坦所說(shuō)：“科學(xué)是永無(wú)止境的，它是一個(gè)永恒之謎?！?020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)邽槿祟愌芯刻祗w物理，開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。隨著科學(xué)的進(jìn)步，在不久的將來(lái)，我們一定會(huì)得到黑洞的高清圖，讓我們拭目以待吧！