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如何制造黑洞 宇宙中最大的黑洞从何而来

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发表于 2015-12-20 00:55:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
人类科学家正在尝试“制造黑洞”,至于如何制造黑洞,科学家们认为根据黑洞的特性制造出一个类似的“物体”来,但是这并非真正的宇宙大型黑洞,人类还没有那么能耐,我们只能说制造出一个有黑洞功能的东西,但是非常小,存在的时间也很短。


宇宙中的黑洞为何会如此巨大?简单地说:就像大型星系诞生自碰撞和合并一样,大型黑洞也是由一对对较小黑洞合并产生的。你可能需要尝试把握这个故事中的大量细节,来推进我们有限的理论和观测:对黑洞碰撞的理解,需要有复杂的计算机模拟,以及精妙装置的检测。研究黑洞的合并兴许是理解奇特强引力效应最好的方法,从中有机会发现全新的现象。

如何制造黑洞

黑洞与它的宿主星系是有紧密联系的,它们拥有共同的演化史。举例来说,黑洞的大小,反映了星系中心区域的大小。天文学家不会期望在小型星系内发现“超大质量”黑洞,那些黑洞的质量是太阳的数百万至数十亿倍。反之亦然(不过至少有一例,违反了这一规则,原因未知)。


由于大型星系是由较小星系合并产生的,研究者猜测,同样的事情也发生在它们的中央黑洞身上。那些具有新近合并迹象的星系,比如NGC 6240,有时会拥有2个明显的超大质量黑洞。它们是这个观点的佐证。但是两个黑洞变为一个的过程相当漫长,远远长于人类从事天文学研究的时间。所以当前我们理解这些黑洞相遇过程的唯一方法是理论。
理论模型显示,在星系合并过程中,黑洞会进入相互绕行的轨道,起初离得较远,随后逐渐盘旋,彼此靠近。广义相对论预测,它们在靠近时,会以引力辐射的形式向外辐射能量,直至最终合并。

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像M87这样的星系看上去比较乏味。然而,喷流的源头一点也不乏味:那是一个质量为太阳66亿倍的黑洞。


正如快速变化的电流可以产生以无线电波为形式的电磁辐射一样,有质量的物体在运动时,也可以产生引力辐射。然而引力辐射比之无线电波,相当难以检测,因为引力比电磁力要弱得多。在我们周围,引力波无处不在,它们可以穿越我们的身体,但是我们感觉不到。1993年诺贝尔物理学奖授予了罗素•赫瑟(Russell Hulse)和约瑟夫•泰勒(Joseph Taylor),他们因观测到双中子星的一种特殊行为而得奖,这种行为与它们发出引力辐射时应有的表现相符。但是直接检测引力辐射对我们来说仍然难以办到。


虽然地球在绕行太阳的过程中也会发出引力辐射,但是在太阳系的整个生命周期内,相应的能量损失是无法察觉的。双黑洞的情况就不同了:它们一旦靠近,就会释放出巨大的能量,每一次绕行都会使彼此靠得更近。(双黑洞在合并时,其辐射出的引力能量,比正常恒星数十亿年生命周期内释放出的紫外线、红外线和可见光能量总和还要多)最终,它们的事件视界会接触,双黑洞系统会在一个被称为“下环(Ring-down)”的平面上释放出更多的引力波,并从一个粗糙的、不均匀的形态,变为一个光滑的、完美对称的黑洞。


不幸的是,这个光滑的黑洞并不包含它过去的任何信息。所有的不平整度、错位和复杂的合并过程等信息都隐藏在了引力波信号中。
这就是为何引力波信号那么重要:这也许是我们研究黑洞合并最好的意义所在。地基激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和天基激光干涉仪空间天线(LISA)等实验装置存在的意义也在于此。前者已于2010年完成,计划2014年安装更好的检测仪。但后者因为预算问题被搁置、缩减了。这二者理应是相互补充的:从轨道上可以检测双黑洞合并前的辐射,而地面设备能够获取合并前最终阶段、合并时和下环的辐射信息。


不过理论学家不会坐等结果出现,现在正忙于完善模型,并根据爱因斯坦相对论,描述出引力波可能会有的外形特征。有两大原因使之很重要。首先是因为我们可能看到的,是普通望远镜看不到的引力辐射。其次,如果LIGO和LISA观测到的信号偏离预期,那么通过理论推演,可以发现新的有意思的东西。

天文学家还没有办法来探测黑洞内部,甚至还不能近距离观察它们的事件视界。但是合并的黑洞可以揭示在极端情况下引力的行为,并告诉我们宇宙中最大的黑洞究竟从何而来


作者马修•弗朗西斯(Matthew Francis)为物理学家、科普作家、演说家和教育家。最近他在写一本关于宇宙学的新书,暂名为《回归之路,黑暗天空:宇宙之旅》

本文原载于鹦鹉螺网站 nautil.us
翻译:老孙

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