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是否有一個方程可以證明黑洞是真實存在的?

物理學(xué)家:沒有!

通過廣義相對論(含有大量方程),其中有一些知識是從其它領(lǐng)域借來的(用來描述恒星坍塌),你可以說黑洞是存在的。但不幸地是,物理學(xué)中沒有黑洞存在的證據(jù),只有實驗和觀測的證據(jù)。

話雖這么說,黑洞存在的觀測證據(jù)是極好的。舉個例子,通過觀察銀河系中心恒星的運動,我們認為它們必定圍繞一個微小、不可見、質(zhì)量相當(dāng)于成千上百萬個太陽的物體運行。

聽起來真像一個證明黑洞存在的極好證據(jù)!當(dāng)然,在每一個理論、命題和論文的結(jié)尾,都有一個微小、看不見的星號寫著:

“*所有的這些我們從沒有聽過的/從沒有想象過的假設(shè)都不是真實發(fā)生的。真是糟糕透了?!?/p>

有時候那些“我們從未聽過的事”確實發(fā)生了,但我們卻無能為力。

所以人馬座A*(銀河系中心的超大質(zhì)量物體)幾乎確定是一個黑洞,但它仍沒有(也永遠不會完全,絕對,徹底地)被證實黑洞是真實存在的。雖然我相信它存在。

“凍星”在這里重新定向。對于假設(shè)的物體,見凍結(jié)星(假想星)。

位于超大橢圓星系梅西耶87中心的超大質(zhì)量黑洞,是太陽質(zhì)量的70億倍,它在2019年4月10日被視界望遠鏡所描繪并發(fā)布了第一張圖片。可以看見新月形的放射環(huán)和中心陰影,那是黑洞事件視界的中子環(huán)和中子捕獲帶,在引力作用下放大的景象。新月形由黑洞的旋轉(zhuǎn)和相對論光波所產(chǎn)生;陰影大概是事件視界直徑的2.6倍。

黑洞是時空中存在的擁有強大引力效應(yīng)的一個區(qū)域——任何粒子和電磁輻射例如光都不能從它里面逃逸。廣義相對論預(yù)測說一個充分緊密的質(zhì)量可以將時空變形為一個黑洞。沒有任何東西可能逃逸的邊界區(qū)域被稱為事件視界。即使事件視界對穿過它的物體命運和情況有一個巨大的影響,但在局部可檢測的特征中似乎并沒有被觀測到。

換言之,黑洞就像一個絕對黑體,因為它不反射光。此外,時空彎曲的量子場論預(yù)測到事件視界發(fā)射霍金輻射,有著和溫度、質(zhì)量成反比的黑體一樣的光譜。對于具有恒星質(zhì)量的黑洞來說,這個溫度大約是十一分之一開爾文溫度,使其從根本上就不可能去觀測。

在十八世紀那些具有強引力場以至于光都無法逃脫的物體第一次被約翰·米歇爾和皮埃爾·西蒙·拉普拉斯考慮。1916年,卡爾·施瓦茨希爾德發(fā)現(xiàn)了第一個廣義相對論的現(xiàn)代解決方案來描繪黑洞特征,盡管1958年,大衛(wèi)·芬克爾斯坦第一次發(fā)布了黑洞作為空間內(nèi)一個任何東西都無法逃脫的區(qū)域的解釋。長期以來黑洞被認為是一個數(shù)學(xué)奇跡;在二十世紀六十年代理論工作表明他們是廣義相對論的普遍預(yù)測。1967年喬斯林·貝爾·布尼爾發(fā)現(xiàn)的中子星點燃了人們對引力坍縮的致密物體的興趣,認為那是一種可能的天體物理事實。

當(dāng)質(zhì)量非常大的恒星在它們生命周期的最后坍塌,預(yù)期會形成具有恒星質(zhì)量的黑洞。在一個黑洞形成后,它會通過吸收周圍物體的質(zhì)量而持續(xù)增長。通過吸收其他恒星并和其他黑洞融合,從而形成數(shù)百萬個太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。人們一致普遍認為超大質(zhì)量黑洞存在于大多數(shù)星系中心。

盡管內(nèi)部不可見,也可以通過黑洞和其他物質(zhì)的相互作用及發(fā)射出的電磁輻射,比如可見光來推斷其存在。掉入黑洞的物質(zhì)可以形成一個額外的、通過摩擦加熱的吸積盤,形成一些宇宙中最明亮的物體。如果有其它恒星圍繞黑洞旋轉(zhuǎn),它們的軌道可以用來確定黑洞的質(zhì)量和位置。這樣的觀測可以被用來排除其他如中子星一類的替代物的可能性。用這種方式,天文學(xué)家用二進制系統(tǒng)辨識出許多具恒星質(zhì)量的備選黑洞,建立了被認為是人馬座A的射電源,在銀河系中心,包含一個大約430萬個太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。

2016年2月11日,激光干涉引力波天文臺宣布首次直接探測到引力波,代表了第一次觀測到黑洞的合并。2018年12月,十一次來自十個引力波合并的事件被觀測到(以及一個雙星合并)。2019年4月10日,第一張直接觀測黑洞及其周圍的照片發(fā)布,這是在2017年事件視界望遠鏡觀測到梅西耶87星系中心的超大質(zhì)量黑洞之后。拉里·木村,一個在夏威夷大學(xué)說夏威夷語的教授,命名黑洞為Pōwehi——這是一個夏威夷短語,代表著一個“美化黑暗的無止境的創(chuàng)造來源?!?/p>

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學(xué)名詞

3. askamathematician-The Physicist-Fomalhaut

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