为您找到与暗物质和黑洞相关的共6个结果:
黑洞(Black hole)是现代广义相对论中,宇宙空间内存在的一种密度无限大,体积无限小的天体,所有的物理定理遇到黑洞都会失效。
1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild,1873~1916年)通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解,这个解表明,如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异的现象,即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱.这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇巴德·惠勒(John Archibald Wheeler)命名为“黑洞”.
在茫茫宇宙中,有一种天体像"猛兽"一样,它可以吞噬任何东西,如原子、尘埃、巨大的恒星……甚至连光都无法逃脱。只要被它吞进去,一切都会消失得无影无踪,就像掉进了无底深渊。科学家们把它称为“黑洞”。
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黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后,发生引力坍缩产生的。黑洞的质量极其巨大,而体积却十分微小,它产生的引力场极为强劲,以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个事件视界(临界点)内,便再无法逃脱,甚至目前已知的传播速度最快的光(电磁波)也逃逸不出。
黑洞形成的原因
为了了解什么是黑洞,让我们先从太阳这样的恒星谈起。我们知道,太阳的直径为1,392,000公里,它的质量为地质质量的330,000倍。在这样大的质量、从表面到中心的距离这样长的情况下,位于太阳表面的任何东西所受到的引力大约相当于地球表面引力的28倍。
任何一颗普通的恒星都会由于下述两种因素的相互平衡而保持其通常的大小。其中一个因素是恒星中心有非常高的温度,因而会使恒星的物质经常处于膨胀的状态。另一个因素就是它本身具有很大的引力,从而会使恒星的物质倾向于收缩而挤压在一起。
但是在恒星生存期的某一阶段,其内部温度将会降低,这样一来,引力将会成为一个主导的因素,结果,这颗恒星就会开始坍缩,在这个过程中,恒星内部物质的原子结构会遭到破坏。这样一来,原子将不复存在,替代它的将是一个个电子、质子和中子。这颗恒星将会坍缩到这样一种程度,这时电子的相互排斥力将使该恒星不能够再进一步坍缩。
这颗恒星于是就成为一颗“白矮星”。像太阳这样的恒星一旦坍缩成为一颗白矮星,它的全部物质将被挤压成为一个直径只有大约16,000公里的球体,它的表面引力将变成地球表面引力的210,000倍(因为它的质量虽然没有变,但是从表面到中心的距离则大大缩短了)。
在某些条件下,引力将变得如此之大,甚至能战胜电子之间的排斥力。结果,这颗恒星将会再度坍缩,并迫使其全部电子和质子彼此结合为中子,这样一来,这颗恒星将一直收缩到所有的中子都彼此接触为止。到了这一步,这个中子结构物又将会抵制进一步的坍缩,这颗星于是成为一颗中子星。这样的中子星将把太阳的全部质量压缩在一个直径只有16公里的球体内。结果,它的表面引力将是地球引力的210,000,000,000倍。
在某些条件下,引力甚至能进一步战胜中子结构的抗拒。这时候,再也没有任何东西能够抵抗得住它的进一步坍缩了。结果,这颗恒星就会坍缩到体积等于零,而它的表面引力就会无限地增大。
根据相对论,一颗恒星所发射出来的光,当它克服该恒星的引力场而向外射出的时候,将会失去一定的能量。引力场越大,所失去的能量也越大。这一点已经由科学工作者经过天文观测和实验室实验得到证实。
由太阳这样的普通恒星发射出的光,它失去的能量是很有限的。由白矮星发射出的光会失去较多的能量;由中子星发射出的光会失去比这更多的能量。当这颗中子星进一步坍缩时,就会出现这样一种情况:从它的表面向外射出的光将会失去它的全部能量,从而根本不可能逃逸出去。
一个比中子星坍缩得更厉害的天体,它的引力场将是如此之强,以致任何靠近它的东西都将被它所捕获,并且再也不能从它里面逃逸出去。这就如同被捕获的物体落进一个无底洞的情况一样。而且,正如上面所说,甚至连光也不能逃逸出去,因此,这个坍缩了的天体将是黑的。正因为它既像个无底洞,而且又是黑的,所以天文学家就把它叫做“黑洞”。
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黑洞就是中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小的奇点和周围一部分空空如也的天区,这个天区范围之内不可见。
时间和空间是各种物理现象上演的舞台。可是,这个舞台并不是坚硬无比的。宇宙中的大块头可能会把这个舞台踩坏。
为了显示时空舞台的弹性,我们可以把时空中的空间截面想象成一张橡皮膜。宇宙中的各种物体,比如地球、月亮,都是踩在橡皮膜上的舞蹈演员。地球登场后,把橡皮膜踩得陷了下去。所以地球旁边的月亮需要绕地球旋转,利用离心力才能确保不掉到地上来。同时,要想从地球上发射宇宙飞船,飞船也得耗费好多力气爬出这个凹陷的区域,才能在宇宙空间中畅游。
黑洞
不过地球在宇宙中实在算是个轻量级选手。假想有一个和地球一样大的家伙,密度却是地球的8 亿倍。这样的演员一上台,就会把橡皮膜舞台踩出一个洞,自己也扑通一下掉到洞里。我们把这个洞叫作黑洞。
站在远离黑洞的地球上,我们会发现黑洞把橡皮膜踩得如此弯曲,以至于无论用多大的速度发射飞船,也不能从黑洞的边缘逃出来。就算是宇宙中跑得最快的光,也不能逃出黑洞。既然光不能逃出来,黑洞看起来好像就是黑的。这就是黑洞名称的由来。
读者可能会好奇,既然黑洞把时空橡皮膜踩坏了,那么坏掉的区域是什么样子的呢?黑洞“里面”有时空吗?没有人能到黑洞里看一眼,再出来告诉我们这个问题的答案。可是根据理论推测,黑洞里面确实是有时空的。大自然自动给踩坏的橡皮膜打了一块补丁。不过,不知道大自然是粗心还是故意的,把这块补丁的方向弄“错”了,以致黑洞里面的时间方向是我们的(沿着黑洞半径方向的)空间方向,我们眼中黑洞中心到表面的空间方向则变成了黑洞里面的时间方向。
由于黑洞里面时间和空间调换了位置,我们外人认为的黑洞中心,在黑洞里面的补丁时空上实际是未来。于是,黑洞里面的所有物体,无论怎么想“往外跑”,都不可避免地掉进黑洞中心,因为这里是它们的未来。这样,黑洞中心聚集了大量物质,密度超过了已知物理规律所能描述的密度。在这黑洞中心会发生什么,对我们来说还是一个谜。
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据报道,科学家近日发现了一个探索宇宙粒子的新途径,通过黑洞的引力波辐射揭开宇宙亚原子粒子的奥秘。在此之前,粒子物理学家希望通过位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心大型强子对撞机发现被喻为“上帝粒子”的希格斯玻色子。维也纳科技大学的研究人员为此提供了一个新的概念模型,发现具有极端引力环境的黑洞可能聚集一种目前还处于假想中的亚原子粒子,其被粒子物理学家称为轴子。
参与本项研究的科学家为加布里埃拉·莫卡努、丹尼尔·格吕米耶,他们认为虽然目前还没有证据显示“轴子”真实存在的证据,但该亚原子粒子被认为是很可能存在,而我们可通过黑洞来“猎取”轴子。在量子力学的神奇世界中,粒子被认为是不仅具有传统意义上粒子的属性,也具有波的特点。更大质量的粒子,比如质子,对应的则为较短的波;而质量较轻的粒子,比如光子,则具有更长的波长。由于粒子物理学家假想中的“轴子”质量非常轻,因此该亚原子粒子的波长就相对较长。
通常情况下,黑洞具有强大的引力场,任何物体靠近黑洞的引力作用范围,都是“单程之旅”,就如宇宙飞船、亚原子粒子、光等等都逃不出黑洞的引力场。当物体坠入黑洞被引力拖入黑洞后,将经历极端条件下质能转换,因此这些物体永远不会再次出现在我们目前已知的宇宙中。但是一些粒子在黑洞附近却有着不一般的行为。就如一个电子在中性氢原子内部绕着质子运动,“轴子”可能在黑洞周围的轨道上被创建出来。
科学家发现假想中的“轴子”亚原子粒子具有的波长很长,甚至可达到几公里,因此它们能稳定在类似原子的轨道上。关键的区别是,除了在波长不同外,电子围绕着原子核运行依靠的是电磁力,但“轴子”却是依靠引力,而且电子则作为“轻子”量子大家族的一部分。“轻子”也受到一些非常严格的量子定律约束,比如不可能存在两个轻子同时占据相同的轨道位置,它们以正反粒子形式出现。
另一方面,“轴子”为低温玻色子的凝聚态,在量子理论框架下比“轻子”更加灵活,无数个玻色子可以在同一时间以相同的状态出现,它们就像是一个大型玻色子聚会。科学家加布里埃拉·莫卡努与丹尼尔·格吕米耶目前已经将这个想法提升到一个新的水平上,即在黑洞边缘上体现。通过计算发现应该存在大量的“轴子”存在与黑洞周围的时空中,形成一团酷似云团的“玻色子云”,就如同一群蜜蜂聚集在蜂箱周围。
虽然个别“轴子”携带的质量接近于零,但如果存在趋于无穷的“轴子”或者有着较高的数量级,那么其质量体现就非常可观了。事实上,科学家们认为“轴子”可能是一种神秘的暗物质粒子,宇宙中大量的“轴子”携带了至少一部分的质量,并以暗物质形式存在着。然而,黑洞可能被巨大的“轴子”云包围着,那么我们能从中得到哪些信息呢?
对此,丹尼尔·格吕米耶认为:“笼罩在黑洞周围的轴子云,如同一团松散的沙子,如果其中一粒沙子滑落或者受到外来的某种作用力触发,这团玻色云就会突然崩溃。”
玻色云很有可能携带着一定的质量,发生崩溃时就会发生被科学家称为“凝聚体爆发”现象,并释放出巨大的能量,使得时空结构出现涟漪。这种涟漪则被称为引力波,或许我们可以在2016年之前观察到该现象。
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几十年以前,科学家们根据爱因斯坦广义相对论的理论形容,预言了一种叫做“黑洞”的天体。黑洞是一种非常奇怪的天体。它的体积很小,而密度却极大,每立方厘米就有几百亿吨甚至更高。假如从黑洞上取来小粒米那样大小一块物质,就得用几万艘万吨轮船一齐拖才能拖得动它。如果使太阳变成一个黑洞,那么它的半径就将收缩至不到3000米。因为黑洞的密度大,引力极其强大,黑洞内部所有的物质,包括速度最快的光都逃脱不掉它巨大的引力。不仅如此,它还能把周围的光和其他物质吸引过来。黑洞就像一个无底洞,任何东西到了它那儿,就不用想再“爬”出来了。给它命名为“黑洞”是再形象不过了。
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克尔黑洞,是不随时间变化的绕轴转动的轴对称黑洞,那么克尔黑洞是怎么形成的呢?接下来就跟着读文网小编一起去看看吧。
所有恒星都在自转,因而就不是严格球形的,而是在两极处稍稍变化,于是一颗真实恒星的引力坍缩就不能由球对称的史瓦西解来精确地描述。实际上,恒星周围时空的几何将由于引力波的产生而变得相当复杂。
为什么引力波会扰乱几何呢?道理很简单:所有运动物质(例如一颗转动恒星)的引力场都随时间变化。因此,由引力造成的时空弯曲在每个时刻都会变化,以反映新的物质构造。这种再调节像一种“皱纹”,以光速在背景几何中传播。
球对称性最差的坍缩恒星发出最多的引力波。一旦视界形成,恒星坍缩成了黑洞,情况则立即简化。在视界形成的瞬间,其形状可能仍不规则,并表现出剧烈的振动,但在不到1秒钟之内引力波会抹去所有的不规则性。于是视界停止振动并成为单一的平滑的形状,即一个两极因离心力而变扁平的椭球面。
这就是为什么一颗规缩成黑洞的转动恒星的引力场会最终达到一个平衡状态,这个状态只依赖于两个参量,即质量和角动量,后者表征恒星的转动,类似于基本粒子的自旋。
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