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第3章 宇宙的垃圾场——黑洞学习篇(3)

第四,黑洞本身并不是最大的事物。宇宙中只有无限大,而不存在最大。黑洞也是有无限层次的。任何黑洞必然会被更大黑洞所吸引而逸出物质,和地球在接收太阳能量的同时也释放出能量一样。

总之,黑洞在它的形成过程中,一定会有物质喷射出来。一切事物在它的上一阶段就已为下一阶段的发展做好准备。所以,一切事物才能实现连续不间断的发展。

5.黑洞怎样吞噬恒星

我们知道,黑洞吞噬恒星的方式有两种:一种情况是,当一颗恒星朝着黑洞方向运动时,它会很快被黑洞的引力拉长,变成一束物质流被吸入黑洞,同时释放出巨大的能量,其中包括X射线。

另一种情况是,当一颗恒星进入黑洞的引力范围后,在下落时受到潮汐力的作用,恒星的物质在黑洞外围,形成一个抛物形盘状结构,气体和尘埃沿轨道绕黑洞旋转,逐渐被吸入黑洞,而这个逐渐消失的盘状尘埃结构的X射线,将稳定地辐射它。

科学家们认为,被黑洞吞噬的物质,在到达黑洞视界附近时,会受到强烈挤压,那里的温度可以高达1亿摄氏度以上,这时物质本身产生电离,并引起各种辐射。近期又有新的理论认为,黑洞视界附近的量子效应,会引发黑洞的发射和爆炸。因此,虽然看不见黑洞,但在它的表面附近的黑洞视界,却可以产生多种辐射,也可以说黑洞视界是多种辐射源。通过对辐射源的观测,可以大致确定黑洞的存在和有关黑洞的情况。

6.“节能冠军”——黑洞

利用美国宇航局的“钱德拉”X射线太空望远镜,美国天文学家发现星系具有高密度旋转中心,并有能吸入附近任何物质的黑洞,利用能量的效率极高,堪称宇宙的“节能冠军”。这一发现让科学家认识到,黑洞在宇宙中扮演更为复杂的角色。

科学家绘制的“黑洞发动机”,表明黑洞有为自己吸收的物质加速的能力。

科学家首次对太空中9个较为古老的黑洞所吸入的热气物质和喷射出的高速高能物质进行了测量,从而推算出了黑洞发动机的效率。这些黑洞处于比银河系更大的星系中,距我们有0.5亿-4亿光年的距离。研究人员之所以没有研究银河系中心的黑洞,是因为他们觉得银河系不足够大,其中的气体也不够多。

研究人员用一种简单的办法,测算黑洞的能量效率:他们先用“钱德拉”望远镜观测星系内层大小计算黑洞能获得多少物质的能量,再根据炽热气团中的空洞大小计算黑洞释放出多少能量。结果发现,黑洞释放的能量几乎接近于它所获得的物质含有的能量。这就意味着,假如地球上有这样一辆高效率汽车,它就能利用1升汽油行驶4亿多千米。研究小组负责人、美国斯坦福大学科学家斯蒂芬·艾伦称,这些黑洞的效率比人类至今研制出的最有效的核能发动机效率,还要高出25倍。

7.黑洞和恒星的关系

无论恒星还黑洞,都只有一个体积很小,但质量和密度都很大的核。但是,两者还是有区别,恒星会发生强烈的震荡,并把震荡能传递给周围的宇宙微物质和天体。我们能够以各种方式感觉到它们的运动。而这种感觉的范围,往往被确定为是它的组成部分,也即被认为是它的体积。所以,在我们看来,它们就显得大。而黑洞除了它的核,我们几乎不能感觉到任何它周围的物质,而且连它输出的能量——纵向运动磁力线,我们现在也完全没有认识,更别提感知它的仪器了。我们人体感官完全不能感知这种纵向运动的磁力线能,所以它的体积也就很小。

其实,这就像一根火柴头,在燃烧前很小,点燃后就显得很大了,在一定的距离内,还会显得更大。因为我们将发光的部分,都认为是火柴头了。而且物体越明亮,我们的观察就会认为它更大。再如照相机的闪光灯,其实它很小,但当它闪光时,在一定的距离上我们看到的确是一个很大的光团。如果,我们不是事先认识它的体积,仅以光像来判断,一定会认为它是一个很大的物体。所以,实际上恒星并不大,而黑洞也并不小。只不过因为它们处在不同的运动状态,我们看到的效果不一样罢了。因此,不燃烧的恒星就是黑洞,燃烧的黑洞就是恒星。

恒星是由炽热气体组成的,能自行发光的球形或接近球形的燃烧天体。太阳,就是离地球最近的一颗恒星。

恒星的种类繁多,有双星、变星、聚星、新星、超新星等,大小各不相同,多数恒星质量在0.1~10个太阳质量,大的恒星是太阳的120多倍,而小的恒星质量只有太阳的百分之几。

恒星的颜色多种多样,有的发红,有的发黄,有的发蓝,表面温度和亮度也各有差别,表面温度越高,光度也就越大。

按组成成分,恒星的成分约为70%的氢,20%的氮,1.5%碳和0.5%的铁元素。恒星的数量庞大,我们肉眼可看到的大约有6500颗。

浩瀚的宇宙中,散落着无数颗恒星,一般认为,恒星是由星际物质凝缩而成的。而初试物质的质量和化学成分,决定了恒星的演化历程、演化速度和最终归宿。

我们通过天文观察知道,宇宙中弥漫着大量密度不一的星际气体和尘埃物质。在密度大的地方,往往形成星际气体云。质量很大的星云,在自身引力作用下会很快收缩、密集、升温。当星云质量达到1万倍的太阳质量时,由于密度分布不均匀,而变得不稳定。

密度大的星云收缩更快,导致大型星云分裂瓦解成中等大小的星云。

同理,中等星云又可能碎裂成更小的星云。小星云中密度较大的物体,能够吸引更多的气体和尘埃,并随着引力的增大而收缩,引力能转化为内部热能,内部温度升高。当温度达到2000K时,星云又发生坍缩,形成原始恒星。从星际气体和尘埃变成原恒星,这一过程,大约需要200万年。

原恒星诞生以后,在自身引力作用下,继续向中心收缩,内部物理反应加剧,引力能更快地转化为热能。

中心温度继续增加,温度升高到一定程度,热能会转化为光能,开始闪烁发光。随着原恒星的继续演化,内部压强逐渐增大,最终能够阻止坍缩。此时,总质量不再增加,星体内部气体处于完全对流状态,这时原恒星已经成长为少年星——主序前星。

主序前星的内部温度达到3000~5000K,其引力能的一部分用于维持向外的辐射,一部分用于增加内部的热能,使其内部温度不断升高。当恒星内部温度升高到1500万K时,恒星内部发生热核反应,氢聚变为氦,此时恒星生命到达零龄主序,叫零龄主序星。

主序恒星主要是核能,稳定的核反应让主序星的温度和光度将不再有太大的变化。恒星一生90%以上的时间,停留在主序星阶段。

主序星的热核反应,是在星体核心区进行的,当内部反应结束,氢全部聚变为氦时,反应区向外推移,恒星内部热核反应停止。外层物质在引力作用下又进一步向内挤压,核心区收缩,温度进一步增高,外层温度受内层影响升到107K时,壳层的氢开始燃烧,推动外面的包层受热膨胀,恒星的体积快速增大到千倍以上,而表面温度则快速下降。此时,恒星演化到红巨星阶段。

恒星核心区继续收缩,温度升高,到1亿K时,氦开始聚变成碳。

大质量恒星若得以充分演化,会依次聚变成为氧、硅等,直到合成最稳定的元素——铁。

小质量恒星,如太阳,在核能耗尽后,其质量小于1.44M就会演变为白矮星,等收缩到原来半径的几1/10到1/100时,中心密度已经很高,电子形成兼并态。当电子气体的压力足以抵住引力收缩时,便达到新的平衡。这时恒星不再收缩,只靠它的剩余热量发光,这种星称为白矮星。随着它的余热逐渐消失,表面温度逐渐降低,慢慢成为红矮星、黑矮星,就无法观测到了。

恒星外层进一步扩张,最后成为行星状星云。大质量的红超巨星坍缩后发生大爆炸,形成超新星。超新星爆炸时,外部的物质爆炸出去,形成星云状物质,内部坍缩,形成为中子星。

恒星在核能耗尽之后,如果它的质量在1.44~2M,就会成为中子星。

如质量超过2M,则平衡态不再存在,星体将无限制地收缩。虽然目前还没有密度大于1027克/厘米的物质的实验数据,无法推测星体的具体结构,但根据理论可以推断,星体的半径将愈来愈小,密度将愈来愈大,终于达到临界点,这时它的引力之大,足以使一切粒子,包括光子,都不能外逸,因而称为“黑洞”。

黑洞,形成于大质量的恒星。当恒星到达老年期,自身内部的氢原子核数量,不足以支持核聚变反应的时候,那么就由氦原子核来进行核聚变反应。四个氦原子核发生聚变,形成碳原子核。进一步看,当氦原子核数量也消耗殆尽的时候,核聚变反应就改由四个碳原子发生聚变,形成一个铁原子核。在这个不断聚变的过程中,恒星的体积不断膨胀,直至几千倍,到聚变形成时,核反应要吸收核心的热量,恒星温度迅速下降,在巨大引力作用下,恒星又进行剧烈坍缩。这种坍缩一方面造成恒星内部结构开始发生收缩,原子间距不断缩小;另一方面造成恒星爆炸。

爆炸之后,恒星的外壳被抛到宇宙空间当中。这时,恒星内部的核结构开始发生收缩。原子间距离不断缩小,恒星的密度不断增大。

物质间的作用随着距离的变小,引力不断增大。由于物质间,同时还存在斥力作用。

当距离小到一定程度的时候,引力大于斥力,恒星就会发生坍缩。换句话说,恒星被自己的体重压垮了。这之后,恒星还会不断吸收周围的物质,使得自身重量越来越大。根据牛顿万有引力定律,物体质量越大,对其他物体的引力越大。

那么,引力使得质量不断增加,不断增加的质量,又促使引力不断变大。

最终发展成为任何东西都会被它吸引。

广义相对论认为,光具有波粒二相性。

也就是说,光既是波,又是粒子。大质量的恒星本身,也会发光。

随着质量的不断增大,最后会出现自身发出的光粒子,也会被吸引而出不来,这就是黑洞。

8.黑洞吞吐之谜

一直以来,科学家们都知道,宇宙黑洞是靠狂吞周围星体的物质来不断膨胀,但它如何吞噬、又如何消化这些物质,对地球上的人类来说一直是个谜。最近,以美国密歇根大学的天文学助教乔恩·米勒为首的科学小组找到了答案:他们通过钱德拉X射线望远镜在银河系中发现了一个黑洞,对黑洞周围气体所散发的X射线进行分析,从而揭开了宇宙的一大谜团-黑洞吞吐之谜:那就是黑洞把东西“吞”下去,最终必然会“吐”出来。只有这样,宇宙才可能保持物质能量的平衡。这次被发现的黑洞体系被命名为J1655。米勒表示:“根据星系际规则,J1655是我们的邻居,因此我们能够通过它,了解所有黑洞的功能,包括我们在类星体中发现的奇怪现象。”

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