Astropulse:原始黑洞

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原始黑洞


Astropulse 的目标之一就是检测那些会由于霍金辐射而蒸发掉的小型黑洞。和目前已知的黑洞不同,这些小黑洞可能会在宇宙大爆炸的时候产生出来。


什么是黑洞?


当一颗巨大的恒星耗尽了它自身的燃料之后,就会坍塌并以超新星的形式发生爆炸。最后剩下来的是一颗质量很大而体积却很小的星体,也就是我们所说的黑洞。为了让你对黑洞的密度有一个直观的感受,我们来看一些数字:太阳的直径是 70 万公里,而一个黑洞的质量和太阳差不多,直径却只有 3 公里。如果你用黑洞上的物质来填满一个易拉罐,这个罐子的质量将达到 7 万亿吨,这几乎和苏必利尔湖里所有水的质量差不多。

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也许关于黑洞最有名的地方还是关于为什么黑洞是“黑”的:因为黑洞的强引力,没有任何事物,包括光在内,能够从黑洞里逃脱出来。如果换一种说法,也就是黑洞的逃逸速度比光速还要快。


什么是逃逸速度?它是把一个东西从行星或恒星表面扔出去所需要的速度。比方说,如果你想把一个棒球扔上天,并且进入太空越飞越远永远不回来,需要多块的速度?(先不考虑大气的影响。)这就是地球的逃逸速度,大概是每小时 2 万 5 千英里吧。而这甚至比航天飞机的发射速度还要快。(因为在发射航天飞机时,并不只是扔一下,而是可以持续地助推自己,所以并不需要一开始就具有相当高的速度。)


如果你可以到达一个黑洞的表面,然后朝着天空按一下手电筒,从电筒里发出光将没法很快从黑洞里面逃脱出来 -- 而是继续掉回黑洞。因此黑洞不会从自身发出任何光线,这让它看上去是黑的,也就无法从任何望远镜中看到它 ... 只是在围绕在它周围的空间里面留下黑黑的一片。


霍金辐射


上面说的,曾经也是科学家们一直所认为的。但是天体物理学家霍金(Stephen Hawking)创立了一个理论,他认为黑洞也会往太空辐射出向量的光和物质,而这是因为真空中虚粒子的产生和消失所导致的。科学家们用“真空”这个词来表示没有任何粒子、尘埃、气体、光以及其它任何东西在里面的空间。真空里不包含任何普通粒子,但是却包含“虚”粒子,后者可以在虚空中产生,并在它有机会去哪里或做任何事情前消失。虚粒子是成对产生的,一个虚粒子是由物质组成的(就像电子),而另一个配对的虚粒子则是反物质(就像正电子)。


按照霍金的说法,有可能在黑洞表面产生虚粒子,每对虚粒子中的一个掉回黑洞,而另一个逃逸出来。这个过程从黑洞中提取物质,并允许它以逃逸粒子的形式离开黑洞。


小黑洞会比大黑洞辐射得更多。一个和太阳质量相当的黑洞,其辐射量可以忽略,就算有 7E33 个这样的黑洞,总的辐射功率也不比一个 60 瓦的灯泡更多。而一个质量为十亿吨的“小”黑洞(和中国长城的质量差不多),其辐射功率将达到三亿瓦特。这样的辐射将导致黑洞收缩,而越收缩,它也就辐射得越强烈。这样经过几十亿年后,黑洞的所有物质都将辐射出去,黑洞本身也就是突然蒸发掉了。


我们希望这个蒸发过程可以产生 Astropulse 能检测到的无线电波。当然,蒸发过程并不会直接产生任何无线电波。它只会产生一些由高能伽马射线和粒子组成的火球。这样的火球会和周围的磁场发生相互作用,然后才会产生无线电波。


黑洞的诞生


那小黑洞是从哪里来的?没有任何已知的黑洞能够那么小。实际上,所有已知的黑洞都是通过两种方法创造出来的。首先,它们可以来自于大恒星的坍塌和超新星爆炸。恒星在生命周期内会发生多次坍塌,每一次都会燃烧一种新的燃料。最开始的时候,恒星通过核聚变反应来燃烧氢,把氢变成氦。这个过程中产生的热能保持星体不在自身引力下坍塌。当氢用尽的时候,恒星会开始坍塌并变得更热,直到足够热并且可以燃烧氦。每次恒星用尽一种燃料,它就会进一步坍塌直到它能够燃烧下一种燃料。当恒星用尽了所有的燃料,就会转化成一颗白矮星,或者发生爆炸,然后留下一颗中子星或是黑洞。如果恒星的质量是太阳的四倍到十六倍,在这样的过程之后就会变成黑洞。


其次,大黑洞可以通过小黑洞合并而来。银河系中心的黑洞质量是太阳的四百万倍,其它星系的黑洞可能还会更重。


上述的过程所允许产生的黑洞,其质量一般都恒星相当,甚至还会更高。而微型黑洞很可能只能在宇宙创生之初才能形成,也就是在大爆炸的过程中。如果事实就是这样,那很可能有一些小黑洞现在正在蒸发过程中!因为这些黑洞是在早期宇宙中产生的,它们也被称为原始黑洞,而这也就是 Astropulse 所试图探测的。


  • 黑洞的密度大小要看你如果计算它的体积。之前关于易拉罐的举例中,认为黑洞延伸到了它的视界,也就是逃逸速度等于光速的那个表面。但也许更合适的说法应该是黑洞是一个奇点,它的质量都集聚于中心处的一个点(没有任何体积),这样看的话,黑洞的密度就是无限的!
  • 换一种说法,黑洞会弯曲时空,导致“时间往前”就意味着“掉进黑洞”。黑洞内的任何物体都不能逃脱,甚至是一点都不能离开,因为即使离开一点点也表示时间的回退。