时空弯曲的神秘漩涡,天眼科学目标
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美国国家航空航天局在其华盛顿总部电视演播室举行了近40分钟的新闻发布会,宣布该局发射的“钱德拉”X射线太空望远镜发现了一个黑洞。这个质量大约是太阳的5倍,由一颗质量大约20倍于太阳的恒星发生超新星爆炸形成的黑洞,其特别之处在于:它是人类历史上发现的最年轻的黑洞,仅仅31岁。

问:黑洞如果吞噬中子星,是一口吃掉还是撕碎逐渐吃掉,中子星引力也大啊,能不能撕碎?

10月10日,中科院科学传播局和国家天文台举行新闻发布会,发布了我国500米口径球面射电望远镜取得的首批成果,其中包括新发现的两颗脉冲星。这也是我国射电望远镜首次新发现脉冲星。

这令科学家兴奋不已——因为这是人类历史上首次看到了黑洞的诞生,观测到了该黑洞从它诞生至今的整个成长过程,这个发现有望为科学家研究黑洞如何从“婴儿”状态开始演化提供独一无二的机会。

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脉冲星是FAST的重要科学目标,其发现与研究意义备受关注与期待。

围绕这一消息,人们不免会提出一系列的问题:什么是黑洞?他们有什么奇异之处?他们是怎么诞生的?我们是怎么“看到”他们的?这次观测为何这么重要?还有:为何天文学家对黑洞这么感兴趣?本文将试图对这些问题一一作出解答。

首先,黑洞无论吞噬什么物质,无论大小,都不可能是一口吞掉,黑洞吸收物质的话只能一点点吸收,前一段时间拍到的距离地球5500万光年之外的黑洞,其质量为太阳质量的65亿倍,但是你能够想到吗?质量这么大的黑洞,吞噬一个太阳,也需要10年的时间。

脉冲星的最早发现者是英国剑桥大学50年前的博士研究生乔瑟琳·贝尔女士(Jocelyn Bell),她于1967年夏天无意间搜索射电望远镜天线的数据带,注意到奇怪的周期信号,每隔1.33秒一次流量变化,后经仔细地认证,这是一个未知的宇宙信号,来自后来称之为脉冲星的天体,就是物理学家曾经预言的超级致密的中子星。脉冲星的发现是20世纪的重大天文学事件,经过50年的研究,我们知道脉冲星是一种极端致密的天体,源于8~25倍太阳质量的恒星演化到末期经历超新星爆发而形成,中心的物质大约是一个太阳质量塌缩成中子星,其物质密度大约是水的密度千万亿倍。脉冲星的辐射来自其强大磁场的极冠区,每当中子星极冠转到地球视线方向,我们便看到其辐射信号,所以感觉收到了脉冲信号。形象比喻,脉冲星好比航海的灯塔,当辐射束扫过地球即可以观测一次脉冲。脉冲星半径约10 千米、自旋很快,目前在射电波段观测到的旋转周期约在1.4毫秒~8.5 秒之间。

什么是黑洞

我们知道黑洞会在所吞噬物质的外围形成一个吸积盘,例如黑洞在吞噬红巨星的时候就会形成吸积盘,但是如果是中子星的话,由于中子星本身引力场就足够强大,并且中子星半径也小,所以中子星必须得距离黑洞足够近的时候才有可能被黑洞吞噬掉。只是一旦被黑洞盯上了,中子星就不可能有反手之力了,因为无论它的引力场如何强大,它在黑洞面前都只能是小弟。

天文学家注意到,脉冲星在基础科学研究领域具有极其重要的学术意义。由于脉冲星的大质量和小半径,其表面引力场非常强,所以不能忽略广义相对论效应的存在,这使得脉冲星成为强引力场研究的天然实验室。爱因斯坦的广义相对论在刚发表时,理解这个观点的人极少,经过漫长的探索研究才逐渐被人接受。在地球和太阳系范围里,广义相对论已经得到如下几种验证方式。1)水星近日点的进动,每百年43秒的剩余进动,天文学家曾经无法合理解释其进动来源,直到后来被广义相对论预言;2)光线在引力场中的弯曲,广义相对论计算的弯曲结果比牛顿理论正好大1倍,英国天文学家爱丁顿利用1919年日全食观测,证实了爱因斯坦的预言;3)引力场中时钟变慢现象;4)光谱的引力红移现象。上述检验全部可以在脉冲星系统完成,其精度将高于地球的实验。值得一提的是,随着脉冲星的探索研究,引力辐射的检测可以通过双星系统进行。根据爱因斯坦理论预言,双星系轨道在引力波辐射下将收缩,而几小时轨道周期的双中子星系统每年将缩短几厘米。1974年美国天文学家赫尔斯和泰勒发现了一对互相绕转的双中子星系统(其中一颗为射电脉冲星),他们利用此双星系统的轨道变化来检验各类引力理论,发现广义相对论的理论预言与观测非常吻合,从而证实了引力波预言。所以FAST望远镜将发现新的双中子星系统进行高精度验证爱因斯坦广义相对论。

黑洞,就像是宇宙中的一个“怪物”,包括光子在内的任何物体都无法逃脱它的引力“魔掌”。

我们知道黑洞和中子星都是宇宙间的极端天体,中子星是恒星演化的末期,由于恒星的质量太大,导致其在自身的引力作用下就会发生塌缩,直到构成自身的原子物质原子核被压碎,电子被压入原子核,进而原子核内的质子电子结合形成了中子,可以说,中子星就是一个全部由中子构成的变态天体,但是跟黑洞比起来,中子星还算不了什么,因为中子星好歹还有中子存在,黑洞就更变态了,引力塌缩作用更加明显,最后连中子都不存在了,只剩下构成物质的最基本的粒子,而黑洞本身也塌缩成一个无限小的点,称为奇点。

由于脉冲星的超强磁场,这为我们研究磁层粒子加速机制、高能辐射、射电辐射过程提供了一个理想场所;脉冲星强大的磁场运动产生电场,其中的等离子体物理过程也是物理学家感兴趣的课题。中子星的物质组成与其结构相关,其中心附近的密度是核密度的几倍,诞生时温度可高达10**9K,一般认为此条件下的极端压力可能生成夸克物质,这在地球上是没有条件直接探索的。其次,中子星外核存在中子以及少量质子和电子,所以中子星成为各种核物理理论验证的绝佳场所。

黑洞,单单从这个名字看,就让人感觉神秘。事实上也的确如此,即使在天文学家的眼中,黑洞也是宇宙中最不寻常的天体。要介绍黑洞,先要从“逃逸速度”说起。

由此看来,黑洞是中子星的升级版,典型的中子星的质量在太阳质量的1.5倍左右,而这么大质量的中子星,其半径也不过只有10千米左右,由此可见的是中子星上物质密度大得可怕,典型的中子星物质密度可以达到水密度的100万亿倍!在其表面,引力场也是足够强大,逃逸速度竟然达到光速的二分之一。不过前面已经说过了,黑洞是中子星的升级版,黑洞有一个临界视界,一旦进入这个范围内的物质,无论是什么,哪怕是光线,都不可能逃逸。

脉冲星作为大质量恒星坍缩后超新星爆发的产物,它对于研究超新星爆发理论、理解脉冲星的形成机制相当重要。超新星爆发是宇宙中巨大的能量释放现象,如果在银河系内临近地球处发生一次超新星爆发,可能会威胁到人类的生存。银河系的超新星爆发大约每隔50年一次,诸如1054年我国宋朝天文学家记录的蟹状星云处的爆发,1604年约翰尼斯·开普勒在银河系中发现超新星,还有美国宇航局的钱德拉望远镜,在银河系中发现了一个100万年前爆炸的超新星遗迹,目前天文学家已经发现400多个超新星遗迹。

从星体表面发射火箭到太空,要想逃脱该星体引力的束缚,就要求火箭的速度必须大于一个临界速度。只要比这个速度快,物体就能不再掉落到星体上,或绕着它旋转,而可以去更远的外太空自由翱翔,故而这个速度称为“逃逸速度”。地球的逃逸速度大约是每秒11公里,太阳表面的引力比地球强很多,因此太阳的逃逸速度大约是每秒600公里。那么,如果有这么一种物体,它的表面引力非常强,以至于逃逸速度等于光速——宇宙中最快的速度,此时任何物体,甚至是光子本身,都无法逃脱该物体的“引力魔掌”——这个物体就是黑洞。

一般认为,形成中子星的恒星,其质量下限为1.44倍太阳质量,但是中子星毕竟是中子星,跟黑洞比起来还是有差距的。在黑洞的强大引力下,中子星表面的物质会一点一点被抽离,不过这个速度是很缓慢的,这个速度跟黑洞的质量,中子星的质量,以及黑洞和中子星的距离的远近都有关系。而一般认为形成中子星的恒星,质量最多为3倍太阳质量,而黑洞的质量下限,也在3倍太阳质量附近,所以这样一来的话,黑洞吞噬中子星,时间至少也需要几百年,如果距离远点的话,可能需要上亿年的时间才能吸收完全。不过中子星并不会乖乖束手就擒,因为在被黑洞拉扯的过程中,中子星会释放出巨大的辐射能量,爆发出强烈的伽马射线暴。

黑洞吞噬物质都是逐渐吃,慢慢吃,不会一口吞进。中子星密度及引力仅次于黑洞,如果它也万一那一刻也进入黑洞引力圈内的吸积盘,同样会被黑洞吸成丝线状慢慢吞噬得一点不剩。

在应用研究方面,脉冲星因其自转周期的高度稳定性,在时间标准和航天器导航上有非常重要的应用前景。在我们的平时生活中,差上几分钟对生活上的影响不是很大,但是如果在航天领域,时间定不准,就意味着空间位置有偏差,制导设备在定位精度上存在大问题。比如卫星的空间运动,时间差之毫厘,谬以千里。部分脉冲星自转周期的长期稳定性已经赶上甚至超过了氢原子钟,这表明脉冲星在宇宙航行领域是潜在的可以替代原子钟的时间标准。

“黑洞”这个名词,是美国物理学家惠勒于1967年发明的。而“黑洞”的想法,早在18世纪就由博学家米切尔以及著名数学家和天文学家拉普拉斯提出来了。但是这些想法严格地说并不严谨,因为它们都是基于牛顿力学,而我们现在知道,当引力非常强时,牛顿力学不再适用了,应当用爱因斯坦的广义相对论取代。所以,直到上世纪初,当爱因斯坦发现了广义相对论之后,黑洞的存在才得到了严格证明。

吞噬一切的黑洞

黑洞是美国物理学家惠勒在1917年由爱因斯坦1915年的广义相对论中的引力场方程推导而来。他推导宇宙中存在一种物质的密集点,它有无限大引力、质量、时空曲率、温度,而体积无限小,后来科学家就将这样的点命名为“奇点”。在“奇点”周围是一片空荡荡的天区,这片天区外部便是它吞噬物质的事件视界。天文观测上只有通过事件视界释放的辐射判断黑洞的存在。

黑洞是由30倍以上太阳质量的恒星的生命末期坍缩而来,它形成那一刻起便不停吞噬周围物质,随着吞噬物质的增加质量逐渐增加。它巨大的质量使时空变得无限扭曲,即使光经过这个时空曲率内,也会被吸入吞噬,这就使黑洞不可见。

中子星是由质量在10倍太阳的恒星坍缩而来,内部全部被挤压成为了中子时便没有能量继续坍缩了。这让它也具有傲视群星的巨大引力,它引力仅次于黑洞。

然而,它要是遇上黑洞这个奇葩天体也只能自认倒霉了。当它遇上黑洞,聪明人都知道它的结局会必消失无疑了。而且这个吞噬的过程是漫长的,可以长达几十年或者几千年,如果遇到一个运动速度快的黑洞它就会“死得痛快点”,如果遇到一个慢性子的黑洞,会将这颗中子星像抽丝一样一丝丝的抽完,而且要抽几千年。

脉冲星的研究涉及到许多学科的一系列重要理论问题,它与现代物理中的等离子体物理、广义相对论、基本粒子,核物理等密切有关。另外,脉冲星在恒星演化的研究中也占有特殊的地位,所以这项研究成为当今天体物理学最活跃的领域之一。

广义相对论预言的黑洞由两个基本结构组成:黑洞中心是一个“奇点”,所有的物质都集中在这个点上,密度因而是无限大。当然,现代科学认为,广义相对论本身还不是终极理论,还需要发展,具体来说是要与量子力学结合。这样的话,奇点将不再是个没有体积的点了。奇点之外,黑洞存在一个“表面”,叫“视界”,这也是黑洞的“半径”。视界可以看作是黑洞的“势力范围”。一旦进入视界,所有的物体,包括光,都无法逃脱。不同质量的黑洞,其视界的大小是不一样的。若黑洞的质量相当于地球质量,则视界只有2.5厘米。也就是说,地球要变成一个黑洞的话,必须缩小为乒乓球大小才可以。若太阳变成一个黑洞,则就要从目前的70万公里半径的巨大火球变成半径只有3公里的球体。

黑洞吞噬任何一个星体,都不是一口吃掉,因为这些星体的质量是很大很大的,需要慢慢消化。

中子星是目前除黑洞外最极端的星球。有理论认为在宇宙中可能存在比中子星更致密的夸克星,但现在并没有找到。

中子星却是很普遍存在的,现在发现了几千颗,所谓脉冲星就是中子星的一种,其发出的强大辐射脉冲扫过地球,被人类捕捉,就是脉冲星。

脉冲星自发现以来,在50年间取得了令世人瞩目的巨大成就。天文学家已经观测到2700多颗脉冲星,至今已积累了一大批宝贵的资料,同时也存在不少现象和问题尚待解决。随着FAST大型装置的建设和观测手段的进一步发展,人类必将逐步揭示脉冲星所带来的一系列新问题。虽然现在天文学家已经观测到14对双中子星系统,但没有发现脉冲星—黑洞系统,FAST有望在接下来的若干年内探测到这类奇特双星。据估计,脉冲星—黑洞系统的探测率少于双中子星系统的10倍左右,随着世界各地大射电望远镜的投入使用,未来10年可能会探测到脉冲星—黑洞系统,这为精确决定黑洞性质获得关键的信息,同时也可以检验引力波在此类系统的辐射性质。目前,观测到的毫秒脉冲星最快自旋周期是1.39 毫秒,低于20 毫秒的脉冲星有300多颗。根据理论计算,最快的脉冲星周期可以达到不足1毫秒,如果能探测到这类亚毫秒脉冲星,其质量将较大、半径较小,使得其物态很有可能是夸克物质,这将是核力起主导作用的一种新天体。还有,银河系以外脉冲星的探测也将作为FAST未来观测的重点,随着FAST射电望远镜灵敏度的提高,探测其他星系短时间内产生巨脉冲信号脉冲星也成为可能,这对于研究脉冲星奇特的辐射机制非常有利。另外,对于一些年老的脉冲星,其辐射的强度较低,星体自旋周期大于10秒。一般来说,自旋周期越大,其年龄越老,越不容易被探测到,在FAST高灵敏度的前提下,探测年老脉冲星变为可能,这对于研究脉冲星晚期演化特性是至关重要的。

宇宙天体的兴衰

引力的大小主要取决于质量极其密度,一个天体半径越靠近自己的史瓦西半径,引力表现得就越极端。

中子星已经很小了,一个大于太阳质量1.5倍的中子星只有10公里左右的半径,因此其表面重力极大,逃逸速度达到一半光速,也就是15万公里/秒左右。

但中子星相对黑洞来说,还是小巫见大巫的。作为形成黑洞之前的天体物质已经坍缩到了自己的史瓦西半径以内了,因此引力变得十分强大,在其史瓦西半径里引力已经变得无限大,连光速也无法逃脱,也就是说逃逸速度超过了光速。

根据钱德拉塞卡极限理论,形成中子星的最小质量在太阳的1.44倍,如果一个太阳质量2倍的中子星,史瓦西半径有多大呢?也就是不到6000米。如果这个半径10公里左右的中子星坍缩到6公里以下,就会变成一个黑洞。这样它的引力就可以和黑洞抗衡了。

总之,在FAST时代,可以预知的脉冲星观测将突破原有的样本数目,各种新型脉冲星天体将不期而至,我们正在迎接一个中国自主大科学装置发现时代的来临。

大质量恒星的超新星爆发与伽马射线暴造就了黑洞

所以中子星虽然引力也很大,但遇到黑洞也毫无办法,只有乖乖的被黑洞牵着鼻子走。

比较通俗的说法就是,在黑洞强大的引力作用下,中子星表面物质被慢慢剥离,被黑洞一点点的吸到肚子里,化为乌有。

但这个过程是相当漫长的,可能慢得你都不耐烦了。

这要看这个黑洞质量大小,目前发现宇宙中最小的黑洞约3个太阳质量,像这种黑洞要吞噬一颗太阳这样的恒星,是要细嚼慢咽的,吸食时间至少需要几百年,如果相隔较远的话就更慢了,有可能要超过亿年。

(作者:张承民,系中国科学院国家天文台研究员)

宇宙中的天体也与地球上的生物一样,会经历诞生、成长、衰老和死亡。广义相对论预言,黑洞就是大质量恒星死亡以后的“残骸”。具体来说,黑洞是质量大于20倍太阳质量的恒星死亡以后形成的。

中子星由于受到“奥本海默极限”限制,是不可能达到3个太阳质量的。

目前有科学研究认为,中子星的质量极限在2.16个太阳质量,超过这个质量,中子星的中子简并压就无法抵抗巨大的重力而坍缩成一个黑洞。

因此中子星在黑洞面前只能注定做龟孙子,碰到一起,只能受到黑洞的欺凌。遇到黑洞只能像恒星一样被吞噬,根据相隔距离远近和黑洞质量大小,被消灭的时间有长有短,肯定不是一口吃掉,是慢慢撕碎细嚼慢咽。

目前发现宇宙中最大的黑洞是TON 618类星体黑洞,质量相当太阳的660亿倍,像这样的黑洞一年也只能够吞噬5、6颗太阳质量。

万有引力无处不在,一个恒星各个部分之间当然也是存在万有引力的。但是,恒星之所以能够维持一个较大的球形而没有被万有引力吸引得“塌缩”下去,是由于存在其他的力与引力抗衡,这个力就是恒星内部热核反应加热气体产生的膨胀压力。热核反应的基本过程是将较轻的氢元素合并成较重的氦元素,在这一过程中会释放出大量的热量。等到核燃料逐渐耗尽的时候,恒星也就开始衰老,濒临死亡了。这时,气体就会很快冷却下来,与引力相抗衡的气体压力因而就会大大减小。于是,恒星在强大的万有引力作用下会迅速向中心塌缩,体积迅速缩小。塌缩过程中会形成反弹激波,恒星外层的气体会在反弹激波的作用下爆炸,将一部分气体炸到宇宙空间中。

但中子星也会反抗,它的反抗比恒星剧烈,在拉扯过程中会放射出巨大的辐射能量,有时还会相撞,爆发出天下无敌的伽马射线暴。

科学家们对地球第一次生物大灭绝的奥陶纪研究认为,引起这场震荡了40万年巨大灾难的,就是距离我们6000光年以上的一颗中子星与黑洞玩二人转导致的,它们玩的不高兴了就撞了一架,产生了数束伽马射线暴,其中一束不偏不倚的击中了倒霉的地球,于是,城门失火殃及池鱼的祸事就发生了。

这大概就是中子星最厉害的反抗吧,反抗的结果是转嫁危机,也不是个好鸟。

就这样简单说一下,欢迎讨论。

下一步的命运取决于原初恒星的质量。若原先的恒星质量较小,小于10倍太阳质量,则恒星缩小到一定程度后,一种叫做“电子简并压”的力能够与引力抗衡,星体于是停止塌缩。这时形成的星体叫“白矮星”。这种星体表面仍然存在少量可燃烧物质,但是温度非常高,所以颜色很“白”。再加上这种形体体积很小,即“很矮”,所以叫做白矮星。

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黑洞的附近具有强大的引力,可以将周围的物体吞噬。人类曾经探测到黑洞吞噬恒星,也曾根据双黑洞合并首次发行引力波,甚至两个中子星合并释放引力波并伴随伽马射线暴这样的天文盛宴也曾经历过。只是黑洞吞噬中子星的事件尚未被人类发现,科学家们也一直期待着能够观测到黑洞吞噬中子星事件。

黑洞吞噬恒星的时候往往是先借助潮汐力将恒星上的物质一点点的撕扯下来,被撕扯下的物质一边旋绕黑洞转动一边坠入黑洞,在黑洞附近形成一个壮观的吸积盘,另外还有一些物质从喷流中喷出。恒星最终被吞噬往往需要十数年甚至更长的时间。

黑洞吞噬黑洞时可以释放强烈的引力波,两颗中子星合并会释放功率强大的引力波和电磁波,照这样看黑洞吞噬中子星时也应该有强烈的引力波和电磁波向外释放,并且也有可能产生大量的黄金等重元素。遗憾的是人类目前还没有观测到黑洞吞噬中子星释放引力波事件,黑洞怎么吞噬中子星目前还停留在理论界面上。

中子星是致密的天体,其密度仅次于黑洞,这决定了黑洞并不容易像撕碎恒星那样撕碎中子星。有科学家根据理论分析认为,黑洞吞噬中子星时,中子星并不会立即被摧毁,黑洞可能会闯入中子星的内部,会在中子星的内部慢慢吞噬中子星。

在吞噬的过程中,中子星会逐渐的塌缩,本身就在高速旋转的中子星半径变小后会旋转得更快,若是超过了表面的逃逸速度就会被甩到太空中。

当然这只是一种理论分析的结果,真实情况到底如何还需要天文学家们用多种手段去发现、分析宇宙中的黑洞吞噬中子星现象。

我们都知道黑洞就是宇宙中“只吞不吐”的绞肉机,之所以把只吞不吐加上引号是因为黑洞还存在正反虚粒子湮灭的质量流失,但我们考虑到这种质量流失的缓慢以及黑洞的长寿,从宏观角度说黑洞“只吞不吐”还是没问题的。

宇宙中发黑洞多由大质量恒星坍缩而成,不过鉴于宇宙中存在着相当多的双恒星系统,所以不乏有同一星系内黑洞吞噬另一颗恒星的事件发生,中子星和恒星相比不过是密度大体积小而已,在被黑洞吞噬时的表现和普通恒星没有什么区别。

衡量天体引力大小其实很简单,只需要对比它们之间的逃逸速度差距就行了,因为质量越大的天体引力就越大,相应的逃逸速度也大,而中子星的逃逸速度最高能达到0.5倍光速,也就是150000km/s,相比之下地球的逃逸速度只有11.2km/,但黑洞的逃逸速度超过光速,因此任何天体在黑洞的引力作用下都只能乖乖被撕碎。

黑洞吞噬任何天体都不是一口吃掉,而是慢慢吸取天体的物质并拉伸再碾碎成基本粒子,这其中还要发出光和热,这些物质会源源不断进入黑洞视界范围并永远消失。

事实上除了靠近黑洞,任何天体在靠近质量更大的天体时都会受到对方的引力拉扯,如果距离超过洛希极限的话就会被对方的引力撕碎,年初上映的《流浪地球》中木星就差点把地球撕碎。

在中子星尚未进入事件视界时就会因为潮汐力被撕碎。中子星是目前已知的密度仅次于黑洞的天体,所以可以推断黑洞吞噬任何天体都是撕碎之后一点一点吞噬。因为事件视界是我们能看到的黑洞范围,如果中子星在进入事件视界前依然是完整的,那么就可以认为是黑洞一口吃掉了中子星,但实际情况应该是洛希极限远大于史瓦西半径。

理想状态下,当中子星靠近黑洞时,距离黑洞较近的一面与距离黑洞较远的一面会形成很大的引力差,这个差值大于中子星自身的引力时,中子星就会分崩离析。

在天文学上,一般可以通过洛希极限来计算出一个天体自身的引力与第二个天体造成的潮汐力相等时的距离,但是黑洞的密度被认为是无限大的,且黑洞质量不尽相同,所以无法计算黑洞与中子星之间的洛希极限。

为什么说黑洞的密度无法计算?我们知道黑洞的强引力场会产生事件视界,由于事件视界的存在,我们无法知道黑洞奇点的具体体积。奇点在数学上就是体积为0的点,密度是质量与体积的比值,所以黑洞的密度被认为是无限大的。

如果我们把事件视界认为是黑洞的体积,那么就会发现随着黑洞质量的增大,其密度就会非常小,事件视界的体积和黑洞质量的三次方成正比,按照事件视界来计算密度的话,一个40亿倍太阳质量的黑洞,其密度就和空气密度差不多了。

反向思维,如果黑洞的质量越小,其事件视界也越小,我们把地球压缩成黑洞,其史瓦西半径大约8毫米左右,如果我们事件视界近似为黑洞体积,那么它的密度就达到了4.19*10^33kg/m³,而中子星的密度大约是2*10^18kg/m³,按照这个值来计算洛希极限:

洛希极限d=R(2*ρ黑洞/ρ中子星)^0.333,其中R等于8毫米,这个值算下来大约为1358米,也就是说,中子星与地球黑洞之间的距离小于1358米时,中子星就会粉碎,这个值明显大于地球黑洞史瓦西半径,所以在中子星在进入黑洞事件视界之前就被撕成一盘散沙了。

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中子星的质量上限在2.16倍太阳质量左右,超过这个质量的中子星是不稳定的,或者会成为其他的致密天体。

而黑洞的质量在3倍太阳质量之上,这个是没有上限的,星系级的黑洞可达到太阳质量的百万甚至千万倍的级别。

如此对照起来看,中子星根本无法与黑洞抗衡。

如果是小质量黑洞的话,比如下限的黑洞,只要不相撞,中子星的高密度可以保持星体的完整,与黑洞成为伴星。但是,在长时间的相伴下,轨道肯定会发生变化,如果不被抛开,那么早晚会进入黑洞的希洛极限。进入后,随着引力的增加,中子星会被慢慢的拉扯撕开。这一过程可能会比较漫长,但最终逃不过被撕裂的下场,最终还是被黑洞一口一口的吃掉。

黑洞质量越大,这个过程会越快,对于星系级的黑洞,中子星不会比其他恒星多坚持太久。所不同的是由于中子星自身强大的引力,在被撕裂的过程中可能会发生剧烈的爆炸,从而产生巨量的辐射。

不久前,LIGO引力波实验室的LIGO-Virgo团队从引力波探测器获得的初步数据分析,或许我们已经收到了黑洞吸收中子星的辐射,但还有待进一步的确认。

这种问题得看转速有多快,转速越快质量越大,这与本身体型大小力气无关,关于黑洞自转反向有很多种,一种是左旋转,一种是右旋转,一种是上旋转,一种是下旋转,还有各种不同的侧面旋转,如果按照有力的推理它们都是不同的原子组成,比如说左旋转粒子元素,右旋转粒子元素,它们要区分开来因为这是一种化学反应效应,黑洞有可能是铁元素,也有的是氢元素等等,它们的转速够快光就无法逃离所以给我们视觉效果假象是黑色的,具体谁吃谁看谁力气大,如果是相同元素会融合一体会变强,如果是相反元素那肯定管谁吃谁都会发现大碰撞进行分裂成一粒粒的原始分子,但要形成这样的一粒粒分子当然要看双方的大小,太小的不可能冲散大的那个,那个小的就会解体成一粒粒气体,列如星云,甚至变成银河系都是可以的。如果质量相同它们互相转动那么它们所吸收的物质量也相同,有的质量比较大点有的的小点我们就看见小的那个被大的那个抢着吃。光为何在恒星中形成一条直线,有的是左侧,右侧等等的视觉,这里就可以看出来黑洞的旋转反向是平行的所以是中间有光速,量子或者说暗物质逃离吸力后方光粒子会跟随量子或暗物质逃逸加速形成一条长长的光柱子,就是我们所说得虫洞,所以理论推理来说虫洞是不可以穿越的进去就会当聚变化成粒子。

若爆发前身恒星的质量比较大,大于10倍太阳质量但小于20倍太阳质量,引力就会更强一些,这时电子简并压力也无法与引力抗衡,恒星会进一步塌缩。这时另一种力——“中子简并压力”出现并发挥作用,能够与引力达到平衡。星体于是停止塌缩。这时形成的星体叫做“中子星”。中子星中大部分物质都是由中子构成的,中子和中子之间空隙很小,故中子星密度非常大:它的半径只有10公里,但是质量却达到太阳质量的两倍!

两强相遇“密”者胜,黑洞的牙口不太好,可能会撕碎了再吃。

人类就是爱看热闹,非要看看黑洞与中子星的较量。答案应该是中子星被黑洞吞噬。虽然中子星密度很大,一小勺的物质重量可能达到数亿吨。而黑洞更黑,它的质量是无穷大,谁胜谁负一目了然。

但是黑洞吞噬中子星也不是件容易的事情,也不会像吃其它星体那样干净彻底。假如黑洞与中子星相遇,它们由于巨大的引力会相互缠绕旋转,同时发出强烈的引力波。但黑洞不可能把中子星一下吞噬,而是把中子星撕碎,一口一口吞进肚子里。但还是会有一些中子被抛出去,重新合成重元素飘散在太空。

在人类的天文观测中,遇到过疑似黑洞吞噬中子星的事件,NASA的雨燕空间探测器,就曾在十年前,探测到一次异常的伽马射线暴。这次事件完全不同于中子星之间的行为,所以被怀疑是黑洞吞噬中子星事件。新华社北京5月6日新媒体专电, 英媒称,天文学家可能首次看见了一颗中子星正在被黑洞吞噬,当时喷薄而出的引力波在宇宙中激起了涟漪。

如图:美国科研机构一探测到疑似黑洞吞噬中子星的引力波

科学家们声称,通过对这次事件的分析,有可能揭示黑洞与中子星合并的细节,包括中子星是否在越过黑洞界限之前就被撕裂,或者它是否天衣无缝地滑入湮没状态。让我们拭目以待。

黑洞如果吞噬中子星,是一口吃掉还是撕碎逐渐吃掉?

大家都知道黑洞能吞噬宇宙中的一切物质,甚至连空间在它的范围内都将处在极度扭曲的状态,当然质量在空间中的表现本来就如此,但对于视界内部的世界,也许连天文学家都难以想象出这样的空间状态!但我们也知道中子星也是一个极其变态的天体,每立方厘米质量高达一亿吨以上,当中子星碰到黑洞,那是个怎么样的吃相呢?

一、要分析这个问题,我们得先来了解下中子星和黑洞的简单形成过程:

1、中子星的形成:

恒星内核失去辐射压支撑时,外壳将在巨大的引力下向中心坍缩,如果这颗恒星的质量不大,比如内核在钱德拉塞卡极限以下时则坍缩成白矮星,而这个钱德拉塞卡极限则是电子简并力支撑的极限,如果电子简并力还能撑住,那么坍缩成白矮星!如果超过电子简并力,将电子压入了原子核,与质子电荷中和则成了中子星!

2、黑洞的形成:

当以中子星的天体状态出现时,元素就不再存在了,物质都有中子组成,与电子简并力一样,中子简并力也会对抗引力进一步坍缩,而这个极限就是奥本海默极限,但如果质量继续增长,则会压垮中子简并力的支撑极限,此时坍缩成黑洞就无法避免(当然有理论可能会存在夸克态的天体,我们直接忽略,因为不影响本文讨论)!

二、黑洞如何吞噬中子星?

我们从上文了解到,尽管中子星密度极高,强度超过任何已知物质,但有一点需要肯定的是,它仍然有再强大也有一个被撕裂的极限,而在黑洞超强的引力面前能支撑到多久只是一个距离问题的!中子星的破裂只会更靠近黑洞的视界一些,但它却无法逃脱被撕裂的命运,而这个过程则与普通天体无疑,会在黑洞的潮汐引力的反复作用下逐渐破碎,成为最靠近黑洞视界的吸积盘,也许此处我们很难见到它最后挣扎所发出的可见光,因为黑洞的不可见区域高达视界直径的2.5倍以上!

因此与其他天体比起来,中子星在黑洞面前只是坚持得更久一些而已,其他与普通天体无异,有朋友可能会想象中子星物质会出现衰变与膨胀,按理来说应该不会,因为黑洞是在超过中子简并力的条件下撕碎中子星的,因此黑洞给它的条件是更强大的压力,根本不给中子星喘气的机会!

黑洞和中子星都是极端天体,中子星是因为恒星演化末期,质量太大而导致原子被压碎,电子压入原子核而形成的全部由中子组成的星球。黑洞则更恐怖,中子简并压力都已经抵挡不住自身的压力了,中子也被压碎挤在了一起。所以说,黑洞是中子星的升级版,比中子星的引力还要恐怖许多。

可以说,中子星和黑洞都是天体中的王者。不过,狭路相逢勇者胜,如果中子星和黑洞遇到了一起,那么无疑肯定是黑洞引力更胜一筹。黑洞巨大的引力会慢慢捕获中子星,使的中子星围绕着自己旋转,同时还慢慢地吸食中子星的物质。就像一般的黑的进食一样,都是先把捕获的物质吸到其吸积盘上面,然后在一点一点品尝自己的食物。这个过程相当漫长,因为黑洞喜欢的是“细嚼慢咽”,而非“狼吞虎咽”。

不过和吞噬一般天体不一样的是,中子星被吞噬的过程会伴随着大量核反应的产生。我们都知道,中子星靠着自身巨大的压力,把电子压入原子核,和质子结合后形成中子。那么,一旦中子星上面的部分物质被黑洞撕扯向自己,就以为着这部分中子星物质失去了巨大的引力束缚,那么这些被压迫的中子就会立马反演回来,中子再次变成电子和质子。所以,整个吞噬过程中子星都在不停地发生核反应,过程相当激烈和壮观。

当然了,以上仅仅是推理而已,毕竟谁也没见过黑洞吞噬中子星,所以我们只能够想想而已。

若爆发恒星的质量高于20倍太阳质量,引力会非常强,即使是中子简并压力也无法与之平衡,于是恒星只能无限制的塌缩下去,变成一个黑洞!这次发现的黑洞,其前身星正是一个大约20倍太阳质量的恒星!

详细研究表明,对于质量大于20倍太阳质量的恒星,其演化的最终结局虽然都是黑洞,但却有两种截然不同的具体表现:一是超新星爆发,二是伽马射线暴。恒星具体命运如何,取决于恒星的初始物理状态,比如旋转的快慢。旋转慢的大质量恒星死亡后会发生超新星爆发,而旋转快的则会形成一个强大的“喷流”,形成伽马射线暴。超新星爆发与伽马射线暴两种爆发的总能量相差无几,区别在于前者较“温和”,即这些能量是在较长的时间里爆发,而后者非常剧烈,在极短时间里——从不到1秒到几百秒——就发出巨大的能量。伽马射线暴是宇宙自诞生以来我们目前所知道的最剧烈的爆发现象,是上世纪60年代才偶然发现的比较新的天文现象,关于它的起因仍是一个谜,因此是目前天体物理研究的一个热点。而这次观测到的年轻黑洞,形成于31年前观测到的一次超新星爆发。

首次看到黑洞诞生

这次美国宇航局宣布的发现意义之所以重大,原因就在于我们人类历史上首次看到了黑洞的诞生以及“婴儿期”演化的整个过程。

此前,曾有媒体宣称NASA此次宣布的发现“足以震惊全人类”,引发网友广泛关注,钱德拉望远镜的官方网站甚至因为访问人数过多而无法访问。虽然这则消息不是有些人想象中的“外星人”、“飞碟”、“世界末日”之类,但从科学研究的意义上,这的确是个意义重大、激动人心的消息。

可以想象,上面描述的恒星从衰老到爆炸死亡、形成黑洞的整个过程是极端复杂的,涉及到的物理知识几乎涵盖了经典以及现代物理和天文学的所有主要的分支和领域,包括核物理、统计物理、广义相对论、量子力学、流体力学、辐射物理以及恒星结构与演化等等。毫不夸张地说,黑洞的形成理论是物理和天文学家们几个世纪来智慧的结晶、集大成之作。

显然,从观测上验证上述黑洞形成的复杂理论,最理想的情况就是看到恒星从爆发到形成黑洞的整个过程。然而,迄今为止,尽管天文学家们已经在银河星内发现了20多个黑洞,却无法判断这些黑洞的年龄——只是可以确定,它们都不是刚刚诞生的。

这次美国宇航局宣布的发现意义之所以重大,原因就在于我们人类历史上首次看到了黑洞诞生以及早期演化的整个过程,而且由于这个黑洞距离我们非常近,只有5000万光年,更为资料积累提供了便利。从1979年恒星开始爆发,一直到今天的31年时间里,我们都有对这个黑洞的详尽的观测资料。这对于验证我们的恒星演化和黑洞形成理论,并进而推断星系、宇宙中黑洞的分布以及有关的天体物理研究无疑将有重要帮助。

同时,天文学家之所以对黑洞那么有兴趣,还有很多原因。目前,国际上的天体物理研究热点,有“一黑、两暗、三起源”的说法,“一黑”指的就是黑洞(两暗是指暗物质、暗能量,三起源是指宇宙起源、天体起源、生命起源)。黑洞研究之所以重要,首先因为黑洞周围引力极强,由此引起的吸积盘中的气体的其他物理性质也都非常极端,如超高温、高压、超强磁场等等,这些极端的条件是地球上的实验室无法达到的,而这些恰恰对于我们验证物理学的基础性理论如广义相对论等可以说起着举足轻重的作用。其次,宇宙中大部分有趣的剧烈爆发、高能量现象都是跟黑洞联系在一起的,比如伽马射线爆发、活动星系核(指的是星系中心的质量超过太阳质量百万倍以上的超大质量黑洞)等,故研究黑洞能直接帮助我们揭开这些现象的神秘面纱。第三,最近的研究发现,黑洞与其他的一些人们感兴趣的问题紧密相关,比如星系是如何形成和演化的。只有研究清楚了黑洞本身,才可能最终解决这些难题。

相关链接 钱德拉太空望远镜

钱德拉太空望远镜原称高级X射线天体物理学设施,是美国航宇局NASA“大天文台”系列空间天文观测卫星中的第三颗。该系列共由4颗卫星组成,另三颗是康普顿伽马射线观测台、哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜。

钱德拉望远镜专为观察来自宇宙最热的区域的X射线而设计,以帮助天文学家搜寻宇宙中的黑洞和暗物质,从而更深入地了解宇宙的起源和演化过程。它是迄今为止人类建造的最先进、最复杂的太空望远镜,被誉为“X射线领域内的哈勃”。

1999年7月23日,钱德拉望远镜由美国哥伦比亚号航天飞机送入太空。它距地球最远时的距离约为地球到月球的距离的三分之一。选用这种大椭圆轨道是为了有尽可能多的时间让望远镜保持在地球的辐射带之外,并避开在离地球很近处运行带来的一些观测上的限制。

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