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第1068章 山海世界(262)

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根據黑洞本身的物理特性質量,角動量,電荷劃分,可以將黑洞分為四類:不旋轉不帶電荷的黑洞,它的時空結構於1916年由史瓦西求出,稱史瓦西黑洞。

不旋轉帶電黑洞,稱賴斯內爾-諾德斯特洛姆(reissner-nordstrom ,簡稱r-n)黑洞。時空結構於1916至1918年由賴斯內爾(reissner)和諾德斯特洛姆(nordstrom)求出。

旋轉不帶電黑洞,稱克爾黑洞。時空結構由克爾(kerr)於1963年求出。

旋轉帶電黑洞,稱克爾-紐曼(kerr-newman,簡稱k-n)黑洞[mou2] 。時空結構於1965年由紐曼(newman)求出。

轉動且帶電荷的黑洞,叫做克爾-紐曼黑洞。這種結構的黑洞視界和無限紅移麵會分開,而且視界會分為兩個(外視界r 和內視界r-),無限紅移麵也會分裂為兩個(rs 和rs-)。外視界和無限紅移麵之間的區域叫做能層,有能量儲存在那裏。越過外無限紅移麵的物體仍有可能逃離黑洞,這是因為能層還不是單向膜區。

單向膜區內,r為時間,s是空間。穿過外視界進入單向膜區的物體,將隻能向前,穿過內視界進入黑洞內部。內視界以裏的區域不是單向膜區,那裏有一個“奇環”,也就是時間終止的地方。物體可以在內視界內自由運動,由於奇環產生斥力,物體不會撞上奇環,不過,奇環附近有一個極為有趣的時空區,在那裏存在“閉合類時線”,沿這種時空曲線運動的物體可以不斷地迴到自己的過去。

宇宙中絕大部分星係,包括我們居住的銀河係的中心都隱藏著一個超大質量黑洞。這些黑洞質量大小不一,大約100萬~400億個太陽質量。天文學家們通過探測黑洞周圍吸積盤發出的強烈輻射和熱量 推斷這些黑洞的存在。物質在受到強烈黑洞引力下落時,會在其周圍形成吸積盤盤旋下降,在這一過程中勢能迅速釋放,將物質加熱到極高的溫度,從而發出強烈輻射。黑洞通過吸積方式吞噬周圍物質,這是它的成長方式之一。

一般認為,超大質量黑洞主要有幾種可能的來源:一是宇宙早期的巨型分子雲直接坍縮成約十萬倍太陽質量的種子黑洞;二是宇宙第一代超大質量恆星死亡後坍縮成約10~100個太陽質量的種子黑洞。隨著種子黑洞不斷吸積以及兩個種子黑洞的並合,最終成長為超大質量黑洞。

超大質量黑洞平均密度可以很低,甚至比空氣密度還要低。這是因為史瓦西半徑與其質量成正比,而密度則與體積成反比。由於球體(如非旋轉黑洞的事件視界)體積是與半徑立方成正比,而質量差不多以直線增長,體積增長率則會更大。故此,密度會隨黑洞半徑增長而減少。

2023年5月24日,美國的詹姆斯·韋布空間望遠鏡(james webb space telescope,簡稱jwst)和錢德拉x射線天文台(chandra x-ray observatory)認證了迄今觀測的最遙遠的黑洞,距地球約132億光年,質量約太陽的1000萬~1億倍,與它所在宿主星係的所有恆星質量之和相當。而近鄰宇宙的超大質量黑洞一般僅占其宿主星係質量的0.1%。它位於uhz1星係的中心,由於abell 2744星係團夾在它與地球之間,通過引力透鏡放大了uhz1星係發出的紅外線及黑洞周圍氣體發出的x射線,才能被我們觀測到。

這一超大質量黑洞在宇宙大爆炸後僅僅4.7億年就形成了,如果是第一代恆星坍縮形成的黑洞,其年齡不足以成長為如此巨大的黑洞,因此傾向於證明宇宙第一代黑洞來源於氣體雲的直接坍縮。該成果已發表到《自然·天文學》雜誌上。

目前人類直接觀測的最大質量黑洞是ton 618。這個龐然大物擁有大約660億個太陽質量。它所形成的陰影區域(進入該區域的光線被嚴重偏折,大小約2倍事件視界),光需要幾周才能走完。

20世紀90年代以來,天文學家陸續在遙遠星係中發現了一批x射線光度極高的天體,它們可能是人們一直尋找的中等質量黑洞,也可能是具有特殊輻射機製的幾個或幾十個太陽質量的恆星級黑洞。國際天文和天體物理界對此一直難以定論。中等質量黑洞介於恆星級黑洞和超大質量黑洞之間,質量為太陽的100到100萬倍。[mou2] 由於這類天體距離我們十分遙遠,通常為幾千萬光年,同時x射線照射黑洞吸積盤而產生的光汙染也非常強,因此測量極其困難。

2020年11月,鐳射幹涉儀引力波天文台-室女座引力波探測器(ligo-virgo)合作組宣佈,他們首次探測到了一個中等質量的黑洞產生的引力波。這項由超過1500名研究人員參與的引力波探測研究顯示,約70億年前,質量分別為太陽的66倍和85倍的兩個黑洞,在發生激烈碰撞後,形成了一個新的中等質量黑洞。這也是人類迄今探測到的首個中等質量黑洞。此次探測到的中等質量黑洞其質量是太陽的142倍。

2019年11月28日淩晨,國際科學期刊《自然》發布了華夏科學院國家天文台團隊的一項重大發現。依托自主研製的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡most),研究團隊發現了一顆迄今為止質量最大的恆星級黑洞,並提供了一種利most巡天優勢尋找黑洞的新方法。這顆70倍太陽質量的黑洞超過了理論預言的恆星質量黑洞的質量上限 ,顛覆了人們對恆星級黑洞形成的認知,有望推動恆星演化和黑洞形成理論的革新。

2020年4月29日,《自然》雜誌的一篇文章質疑其沒有黑洞質量大於50倍太陽質量的確鑿證據。隨後,發現該黑洞的團隊迴複稱:觀測資料仍然傾向於該黑洞擁有23~65倍太陽質量。

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