专家对黑洞的研究

2016-05-09 08:50 作者:admin 来源:网络

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(BESSY Ⅱ)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hv588鸿运国际核。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。

 

美国制成“人造黑洞”

2005年3月,美国布朗大学物理教授‘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。


中国的人造电磁黑洞

中国科学家造出第一个“人造电磁黑洞”

2009年10月15 日,《科学》杂志宣布,世界上第一个“可吸收电磁波的微波人造黑洞”在中国东南大学实验室里诞生。不过,这个小型“黑洞”不仅不会毁灭世界,还能帮助人们更好地吸收太阳能。

人们对黑洞这种天体感到好奇,但绝不会希望有任何一个黑洞接近自己,或我们的星球。有一些科学家在自己的实验室里造出了一个“迷你小型”黑洞。

2009年10月15日的《科学》杂志在介绍这种“人造黑洞”时建议,人们可以把这种“黑洞”装进自己的大衣口袋里。

制造出“人造黑洞”的是中国东南大学的一个研究组,崔铁军教授和程强教授是其中最主要的两位研究者。

“实际上,我们做的黑洞不是严格意义上的黑洞。”在接受《外滩画报》采访时,程强教授对记者说。

实验室里的“人工黑洞”,目的当然不是为了将一个吞噬一切的“恶魔”装进口袋。据程强介绍,存在于东南大学毫米波国家实验室的“人造黑洞”,实际上是一个模拟装置,这种模拟装置可以吸收微波频段的电磁波,在未来,它还可以吸收光。

但是除此之外,它并不能吸收任何实质的东西。“它只吸收电磁波,不吸收能量。”程强对记者说。

这是一个不具有危险性的“黑洞”,不仅如此,这种装置还能在未来用于收集太阳能。在这方面,“人造黑洞”将比世界上任何一种太阳能电池板都更高效。

一些物理爱好者甚至为这种全新的装置设计了一些新功能,比如将它装置在航天器中的太阳帆上,或者用来吸收空气中游散的电磁波——因为手机和无线网络的普及,这种看不见的电磁波据说侵害了我们的健康,成为一种新的污染。

不过,制造“黑洞”的研究者却从来不想那么多,崔铁军和程强正在继续的,是如何把实验室里的装置变成样机,“实现工程化”。

面对关于“人造黑洞”的各式各样的议论,程强认为,“成果公布以后,被许多国际媒体转载和评论,确实也大大出乎我们意料。从我们个人角度而言,只觉得这是一个比较有意义的工作。


实验室里的“黑洞”

“我觉得很惊奇,崔和程这么快就做出了‘人造黑洞’!”看到这个研究成果后,纳瑞马诺维说。

伊维根·纳瑞马诺维(Evgenii Narimanov)是美国印第安纳州西拉斐特市普渡大学的一名教授。

年初,他和合作者亚历山大·基尔迪谢维(Alexander Kildishev)一起,发表论文,提出了一种制造小型“黑洞”的理论和设计方案。

他们的想法是通过模拟黑洞的一些性质,使在“人造黑洞”附近出现的放射性物质被吸引,然后螺旋式地进入“黑洞”中心。

“我们的确是受到他的论文的启发,但研究本身是我们独立完成的。”程强对记者说。

之所以能这么快将之变成现实,是因为他们所在的实验室也一直从事着这方面的研究,在理论和实验两方面都积累了很多年的经验,实验过程中也用到了很多他们自己的独创性想法。

不过虽然名为“黑洞”,他们受纳瑞马诺维启发而造的“黑洞”,和真正存在于宇宙中的黑洞还是有大差别的,这种差别并不仅仅体现在质量的大小上。两种“黑洞”的原理其实并不一样。

宇宙间的黑洞之所以能吞噬一切,是因为它质量巨大,而实验室里的“黑洞”,实际上是根据光波在被吸进宇宙黑洞时的性质,模拟出来的仪器,可以令光波接近时产生相似的扭曲,并被吸引。

也就是说,两种“黑洞”可以让附近的光波出现相似的“结局”,但是光波遇到的却并不是同一回事。

不过东南大学实验室里的“黑洞”,还只是适用于某些微波频率,比如人们常用的通信频率, 如GSM、CDMA 和蓝牙等,吸引光波还有待进一步研究,因为光波的频率更短,需要设计的“人造黑洞”尺寸也要更小些。


质量测定

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日发表在国际权威杂志《自然》上。20世纪90年代以来,天文学家陆续在遥远hv588鸿运国际中发现了一批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hv588鸿运国际中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hv588鸿运国际统位于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。[15] 


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

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。这个中心具有极强的引力,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。


黑洞无毛

1973年霍金、卡特尔(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”。


类似天体

白洞是广义相对论所预言的一种与黑洞相反的特殊天体。和黑洞类似,白洞也有一个封闭的边界,聚集在白洞内部的物质,只能经边界向外运动,而不能反向运动,就是说白洞只向外部输出物质和能量。白洞是一个强引力源,能把它周围的物质吸积到边界上形成物质层。但白洞还是一种理论模型,尚未被观测所证实。

说它“黑”,是指它就像宇宙中的无底洞,任何物质一旦掉进去,“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光无法逃逸,所以我们无法直接观测到黑洞。然而,可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。


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。


相互作用

据英国《新科学家》杂志报道,天文学家宣称,宇宙中质量最大的黑洞现已探测到,其质量是太阳的180亿倍。同时,通过在这个巨大黑洞旁的小型黑洞的观测,天文学家用较强的重力场作用现象证实了爱因斯坦的相对论。

这个宇宙最大黑洞是之前天文学所记录最大黑洞的6倍,它的质量很大,相当于一个小型hv588鸿运国际,它距离地球35亿光年,形成于OJ287类星体的中心位置。类星体是一种极端明亮的星体,它的物体将持续螺旋状进入一个大型黑洞并释放大量辐射线。然而,十分特殊的是,OJ287类星体包含着两个黑洞,除此之外还有一个质量略小的黑洞,这样的星体组合使天文学家能够更为精确地对宇宙中最大的黑洞“量体重”。这个较小黑洞的质量是太阳的1亿倍,环绕着较大黑洞运行着,其每次运行一个周期需要12年时间。两个黑洞之间距离很近,小黑洞环绕一周时能两次与大黑洞周边物质发生挤压碰撞,每次碰撞都会导致OJ287类星体突然地变得明亮起来。在爱因斯坦的相对论观点中,小黑洞运行时自身会旋转着,或产生推进力,这样两个黑洞之间的距离将越来越近,这种现象还存在于太阳系与水星轨道之间,尽管水星轨道的作用比率较低。


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。

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