万圣节是鬼魂、妖精和食尸鬼出没的时候,但宇宙中没有什么比黑洞更可怕的了。
黑洞——太空中引力如此强大以至于任何东西都无法逃脱的区域——是最近新闻中的热门话题。2020年诺贝尔物理学奖的一半颁给了罗杰·彭罗斯,因为他的数学工作表明黑洞是爱因斯坦引力理论不可避免的结果。安德里亚·盖兹和莱因哈德·根泽尔分享了另一半,因为他们展示了一个巨大的黑洞位于我们星系的中心。
黑洞之所以可怕,有三个原因。如果你掉进一颗恒星死后留下的黑洞,你会被撕碎。此外,在所有星系中心看到的巨大黑洞都有着难以满足的欲望。黑洞是物理定律被抹杀的地方。
特别值得关注的是潜伏在星系中心的超大质量黑洞。大多数时候,它们是不活动的,但当它们活动并吃掉恒星和气体时,靠近黑洞的区域可以比容纳它们的整个星系更亮。黑洞活跃的星系被称为类星体。尽管我们在过去几十年中对黑洞了解了很多,但仍有许多谜团需要解决。
黑洞致死
黑洞预计会在大质量恒星死亡时形成。当恒星的核燃料耗尽后,其核心坍塌到可以想象的最稠密的物质状态,其密度是原子核的一百倍。它的密度如此之大,以至于质子、中子和电子不再是离散的粒子。由于黑洞是暗的,当它们围绕正常恒星运行时就会被发现。正常恒星的性质使天文学家能够推断出它的暗伴星黑洞的性质。
第一个被证实的黑洞是天鹅座X-1,天鹅座最亮的X射线源。从那时起,在正常恒星围绕黑洞运行的系统中,已经发现了大约50个黑洞。它们是预计散布在银河系中的大约1000万颗恒星的最近例子。
黑洞是物质的坟墓;没有什么能逃脱他们,即使是光。任何人掉进黑洞的命运都将是一场痛苦的“意粉化”,这是斯蒂芬·霍金在《时间简史》(a Brief History of Time)一书中提出的一个观点。在意粉化中,黑洞的强烈引力会将你拉开,将你的骨骼、肌肉、肌肉甚至分子分离开来。正如诗人但丁在他的诗歌《神曲》中描述的那样:所有进入这里的人,放弃希望。
M87星系中心的一张黑洞照片。黑洞的轮廓是在其视界附近强烈重力的影响下,围绕其旋转的热气体散发出的。
每个星系里的饥饿野兽
在过去的30年里,哈勃太空望远镜的观测表明,所有星系的中心都有黑洞。更大的星系有更大的黑洞。
大自然知道如何在一个惊人的质量范围内制造黑洞,从几倍于太阳质量的恒星尸体到数百亿倍于太阳的怪物。这就像苹果和吉萨大金字塔的区别。
就在去年,天文学家发表了有史以来第一张黑洞及其视界的图片,这是M87椭圆星系中心的一只70亿太阳质量的巨兽。
它比我们银河系中的黑洞大一千倍以上,黑洞的发现者获得了今年的诺贝尔奖。这些黑洞大部分时间都是黑暗的,但当它们的引力吸引附近的恒星和气体时,它们会爆发出强烈的活动,并喷出大量的辐射。大规模黑洞在两方面都很危险。如果你离得太近,巨大的重力会把你吸进去。如果它们处于活跃的类星体阶段,你会受到高能辐射的轰击。
类星体有多亮?想象一下晚上在洛杉矶这样的大城市上空盘旋。这座城市的汽车、房屋和街道上大约有1亿盏灯光对应着银河系中的星星。在这个类比中,处于活跃状态的黑洞就像洛杉矶市中心一个直径1英寸的光源,其亮度比城市高出数百或数千倍。类星体是宇宙中最明亮的天体。
超大质量黑洞很奇怪
迄今为止发现的最大黑洞的重量是太阳质量的400亿倍,是太阳系的20倍。我们太阳系的外行星每250年绕一次轨道运行,而这个质量更大的天体每三个月自转一次。它的外缘以光速的一半移动。像所有的黑洞一样,巨大的黑洞被视界遮蔽。在它们的中心是一个奇点,一个密度无限的空间点。我们无法理解黑洞的内部,因为物理定律崩溃了。时间在视界处冻结,而引力在奇点处变得无限大。
关于大黑洞的好消息是,你可以在掉进黑洞中幸存下来。虽然它们的引力更强,但拉伸力比小黑洞弱,不会杀死你。坏消息是,事件视界标志着深渊的边缘。没有什么可以从事件视界中逃脱,所以你无法逃脱或报告你的经历。
根据斯蒂芬·霍金的说法,黑洞正在慢慢蒸发。在遥远的宇宙未来,在所有恒星都已经死亡,星系也被加速的宇宙膨胀从视野中夺走之后,黑洞将是最后幸存的物体。
最巨大的黑洞将需要难以想象的数年时间才能蒸发,估计为10次方至100次方,或者10次方后100个零。宇宙中最可怕的物体几乎是永恒的。