有史以来第一张直接成像的黑洞照片终于出来了!
国家科学基金会(NSF)刚刚全球同步,发布了2017年4月拍摄的室女A星系(M87)中心的黑洞照片。虽然我有点小小的失望,一是此前就以吊足我们胃口的银河系中心黑洞照片并没有出来;二是直接成像的黑洞照片并不像此前期待中那样极度壮观,事前想象的惊掉下巴也楞没掉下去。不过这毕竟是人类历史上第一次直接拍摄到黑洞照片,肯定有很多朋友急切地想知道,为什么我们看到第一张黑洞照片如此模糊,拍摄会如此艰难,需要等待如此漫长的时间,以至一生研究黑洞,对黑洞理论发展做出主要贡献的英国著名理论物理学家霍金,也无法在有生之年一睹它的风采,而抱憾离去。
黑洞是什么?虽然大家早已对黑洞熟悉得不能再熟悉了,我首先还是要提出这个问题。我们的宇宙极为空旷,相当于平均每四立方米空间里只有一个质子,然而这并不是宇宙的真实情况,因为绝大多数物质都聚集在一起,形成了星系、恒星及行星等天体,宇宙中绝大多数地方的密度比这还要小得小得多!宇宙就像一张巨大的,无边无际的网,星系、恒星、行星等物质就是网本身,而网间的空白则是宇宙真空,所有天体都靠引力编织在一起。
在我们眼里的宇宙,恒星占据了绝对主力的位置,向上,它组成了星系,向下,它维系着行星、卫星及小行星、碎片等组成的恒星系统,是我们地球生命之所以能诞生的关键。
宇宙中的恒星,都是由氢聚集在一起形成的。有质量很小的红矮星,约占宇宙中恒星总数的73%,我们太阳周围最近的65颗恒星,有50颗都是红矮星。由于红矮星质量较小,氢在其中心聚变反应的速度较慢,因此可以稳定燃烧数万亿年到十几万亿年的时间,而目前宇宙整个才形成137亿年,因此对我们来说,红矮星几乎可以说是永恒的存在,没有生命的尽头。
像我们太阳大小的恒星,其寿命大约有100多亿年。在生命周期的末期,太阳会因核心温度升高加快氢聚变,释放更多能量变成红巨星,将水星、金星甚至地球都吞没;太阳中心的氢燃烧完后,会在1亿度高温下点燃氦聚变,燃烧氢聚变生成的氦,逐步形成致密的白矮星核心。经过不断的氦闪和脉动,太阳外层的气体被不断驱离,最后裸露出核心的白矮星,太阳就会停止聚变反应,变得和地球差不多大。
比太阳更大的恒星,如果最后剩下的致密核心超过1.4倍太阳质量,就会经历超新星爆炸,核心在引力作用下急剧坍缩成中子星,直径只有十多公里;而如果质量达到太阳的3.2倍以上,就会坍缩成我们今天的主角——黑洞。
所以黑洞是聚集在一起的物质无法对抗自身引力而坍缩形成的致密天体,是宇宙中时间和空间破裂的地方,宇宙的物理定律在黑洞里面已经不起作用了,你甚至可以把它理解为一个和我们宇宙无关的地方,我们谁也不知道进了这个洞,会去到哪里,会发生什么。
超大质量黑洞是什么?上面所说的是恒星黑洞,也就是恒星坍缩后形成的黑洞。实际上还有一类黑洞叫超大质量黑洞,在每个星系的中心都至少有一个这样的黑洞,利用其引力将整个星系凝聚成形。这类黑洞质量最小的也有几十万个太阳质量,最大的可能有数百亿个太阳质量。
超大质量黑洞的形成,一种是缓慢吸积周围物质形成的;一种是数十万个太阳质量的星云,逐步萎缩成相对论星体后,不经历超新星爆炸而直接坍缩形成黑洞;还有就是核心正在坍缩的高密度星团,在大爆炸瞬间从外向内压直接制造原生黑洞。