神仙打架:黑洞、磁陀星,兩大引力怪物究竟誰更勝一籌
在銀河系中央,有一個正在吞噬附近恒星的特大質量黑洞——人馬座A*。如果一個巨大的引力怪獸緩慢的吞噬銀河系還不夠可怕,那么還有一個宇宙怪物潛伏在它周圍。這個緩慢通過銀河系的龐然大物是一顆巨大的、已爆炸過的恒星的殘骸。但它不僅僅是殘骸。
它是一顆密度極高、磁性很強的坍塌恒星核。讓我來幫你復習一下磁星的知識。當一顆質量至少有8太陽質量的恒星到達其生命尾聲,爆炸成一顆美麗的超新星時,磁星便誕生了。恒星的大部分物質被拋散,只留下致密的內核。大部分的殘骸會形成中子星。它們旋轉速度極快,通常是每秒數(shù)次。整個星體全部由中子組成。
部分中子星的磁場如此之強,以至于它們會從兩極發(fā)出電磁輻射。這就是脈沖星,當他們的磁極朝向地球時,你可以用望遠鏡觀測到它們。只有少數(shù)脈沖星有極強大的磁場,這使它們成為宇宙中磁場最強的星體。它們自轉周期是十秒,但磁場強度卻強于中子星百倍。
如果其中某一個磁體來到月球和地球中間,那將會很不美妙。但若在26光年之外,情況會同樣糟糕嗎?我想知道的是,磁陀星會吞噬黑洞嗎?還是黑洞會吞噬掉磁陀星。這兩個龐然巨物的碰撞并不會以爆炸結束,而是一場長達數(shù)十億年的安靜的宇宙合并。雖然磁陀星引力非常強大,但它們終將敗于與黑洞的斗爭中。磁性巨物要么被整個吞噬,要么是緩慢的被逐漸吞噬,這取決于磁陀星的軌道,以及磁陀星和黑洞的大小和質量。
在磁陀星被黑洞撕碎的過程中,它會向整個宇宙發(fā)射出引力波,擾亂時空曲率。一旦黑洞吞噬完磁陀星,它的質量將會增加,事件視界也會跟著擴大。由于這種膨脹,越來越多的恒星將會被拋入高密黑洞中。黑洞會一顆恒星接一顆地緩慢的蠶食銀河系。最后,經(jīng)過數(shù)千萬億年的消耗恒星,黑洞會吞噬掉整個銀河系。到那時,人類可能早就不存在了。除非45億年內有另外的宇宙事件擾亂這場盛宴。但那就是另一個“如果”的故事了。
黑洞是時空表現(xiàn)出極強的重力加速度,以至于沒有粒子甚至是電磁輻射(比如光)可以逃逸的區(qū)域。廣義相對論預測,一個足夠緊密的質量可以扭曲時空,從而形成黑洞。這個區(qū)域的邊界被稱為事件視界,沒有任何物體可以從中逃脫。雖然事件視界對經(jīng)過物體的命運和情況有巨大的影響,但該區(qū)域沒有出現(xiàn)被觀測到能證明這種影響的可以被檢測出的特征。
在許多方面,黑洞就像一個理想的黑體,它不會反射任何光。此外,彎曲時空的量子場論預測:事件視界發(fā)出的霍金輻射(黑洞輻射)的光譜和溫度與質量成反比的黑體一樣。對于恒星級黑洞來說,這個溫度是十億分之一開爾文的數(shù)量級,這使得它基本上不可能被觀測到。
十八世紀,約翰·米歇爾和皮埃爾·西蒙·拉普拉斯首次提出有一種物體,它的引力場極強以至于連光線都無法逃脫。1916年,卡爾·史瓦西發(fā)現(xiàn)了廣義相對論的第一個用于描述黑洞特征的現(xiàn)代解決方案;盡管在1958年大衛(wèi)·芬克爾斯坦才首次將其解釋為一個沒有任何物體可以逃脫的空間區(qū)域。很長一段時間,黑洞一直被認為是數(shù)學領域的新奇事物;在20世紀60年代,理論研究表明黑洞是廣義相對論的一般性推測。1967年,約瑟琳·貝爾·伯奈爾發(fā)現(xiàn)了中子星,這引發(fā)人們對引力坍塌形成的致密物體的興趣,黑洞很可能是天體物理學上的實體。
人們預測,當非常大質量的恒星在生命周期結束時坍塌后會形成恒星級黑洞。在黑洞形成后,它可以通過吸收附近物體的質量來繼續(xù)增長。通過吸收其他恒星以及與其他黑洞融合,可能會形成百萬太陽質量(M☉)的超大質量黑洞。人們一致認為,在大多數(shù)星系的中心都存在超大質量黑洞。
黑洞的存在可以通過與其他物質和電磁輻射(比如可見光)的相互作用來推斷出。落入黑洞的物質會因為摩擦生熱在外部形成吸積盤,成為宇宙中最亮的一些天體。恒星太靠近超大質量黑洞的話,在被吞噬前,可能會被撕成發(fā)出亮光的細條物體。
如果有其他恒星環(huán)繞黑洞運行,通過他們的軌道可以定位黑洞,并計算其質量。這樣的觀測結果可以用于排除其他可能的天體,比如中子星。用這種辦法,天文學家已經(jīng)在雙星系統(tǒng)中確定許多恒星級黑洞的候選者,并確認了在銀河系中心被命名為人馬座A*的射電源中,存在一個430萬太陽質量的超大質量黑洞。
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