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黑洞之谜 把黑洞变成一颗炸弹!_世界十大未解之谜

发布时间:2017-12-07 17:11:11 来源:科技之星 责任编辑:Q三

  黑洞这东西本身已经够“邪恶”的了,它能够把任何敢于接近它的物体,哪怕是光,都吞噬一空。但如果有一天,它突然在你眼前发出一束刺眼的光芒,释出一股灼烫的热浪——总之,变成了一颗炸弹——那你恐怕会更加不安吧。

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  然而,根据美国天体物理学家阿伯拉罕·罗布的看法,类似这样的事情可能已经发生过,不过不是在今天的宇宙,而是在大爆炸后不久的宇宙。在宇宙还处于婴儿期时,“黑洞炸弹”也许像爆竹一样四处噼啪作响地爆炸呢。

  黑洞如何变成炸弹?

  我们知道,宇宙中存在两种类型的黑洞。一类是恒星量级的,在太阳质量的几倍到几十倍之间。它们是在大质量恒星坍缩之后形成的。它们存在于所有星系中,当然也存在于我们的银河系。另一类是超大质量黑洞,质量差不多可以达到太阳质量的数百万到数百亿倍。它们位于大多数星系的中心——也包括银河系。当一个致密的星系团或气体云坍缩成一个黑洞之后,如果它持续不断地从周围吸积更多的物质,就会“成长”为一颗超大质量黑洞。

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  两类黑洞的共同点是,在它们的中心,即所谓的“奇点”附近,没有任何东西可以逃脱它们强大引力的拉拽。任何东西一旦靠得太近,就会被吸进去,再也看不见。

  既然说黑洞有强大的引力,任何东西都会被吸进去,那么怎么还会爆炸呢?

  关于说黑洞可以变成一个炸弹的观点,则可追溯到40多年前。1974年,两位美国理论物理学家指出,如果黑洞自转足够快,波长足够长的光波经过它身边时,就会被散射,而不是被吸进去。因为黑洞自转会带动周围的空间也跟着转动,于是产生一股离心力,部分抵消了黑洞自身的引力。

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  如果这种自转的黑洞又恰好被某种类似镜子——什么样的东西可以充当这面镜子,下面很快会谈到——的一圈东西包围,光将被多次地反射和散射,在来回的反射中,将从黑洞的自转中获得能量,像在激光器镜腔中的光束一样,被一次次地放大(或者说光子数越来越多)。一旦包围着的这面“镜子”撤去,光和热量瞬间像剧烈的爆炸一般被释放出来——于是一枚“黑洞炸弹”就制成了。跟普通炸弹不同的是,黑洞本身是不会炸成碎片的,释放的只是光和热。

  黑洞要变成“炸弹”, 看来理论上要满足很多条件:首先,黑洞自转足够快,其次,要被一面类似镜子的东西包围,第三,这面“镜子”突然撤去……你也许会问:这么多条件在现实中能满足吗?罗布认为,有一类古老的原始黑洞可满足所有这些条件——不过他最初提出这类黑洞,是为了解决暗物质问题。

  原始黑洞也许就是暗物质

  我们知道,宇宙自大爆炸至今,已经膨胀了138亿年了。本来,分散的物质在万有引力作用下,是趋于汇聚的。宇宙之所以没有缩小,那是因为大爆炸产生的膨胀抵消了引力之故。不考虑暗能量,如果宇宙的物质密度大于某个临界值,在未来的某个时候,所有物质在引力作用下必将又汇聚坍缩回一个体积无限小、密度无限大的点。

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  而类似的事情在宇宙早期极可能已经发生。回溯那个时候,由于不可避免的物质涨落,如果某些区域的密度恰好达到比临界密度大,那么,区域内所包含的物质就可能坍缩,形成一个原始黑洞。由于那时整个宇宙都很小,所以这类原始黑洞要是存在的话,必定也是非常小的,小得大概只有几十个细菌大小、质量只有一个月球般大,大一点也只有一个冰箱般大、质量只及一个木星。

  这样的黑洞可能是暗物质的最佳候选者。我们知道,占宇宙物质总量84%以上的,是有一种看不见的东西,叫暗物质。但暗物质是什么,却迄今未知。大多数物理学家相信,它们是由迄今未知的某种粒子组成的,但罗布认为,他们都想错了。暗物质也许仅仅是一些迄今未探测到的黑洞。

  “镜子”哪儿来?

  假设这些黑洞就是暗物质,那么根据理论和观测上的要求,罗布又进一步证明,它们的质量只能介于一颗小行星和一个月球之间——实际上是些视界半径不到0.1毫米的微型黑洞。这些小东西在茫茫太空中是不容易被发现的,但是按罗布的说法,它们或许会以一种特殊的方式“爆炸”,从而出人意料地暴露其踪迹。

  前面提到,一个黑洞要想变成一颗“黑洞炸弹”,首先要有自转。这个条件是容易满足的,在宇宙大爆炸中产生的那种骚动混乱的环境,很可能会让这些微型黑洞在诞生之初就带有自转。

  现在,要想让它变成一个“炸弹”,需要的仅仅是一面可以让光多次反射的“镜子”。那么,这面“镜子”从哪来?

  在大爆炸之初,尽管宇宙中占绝对多数的是光子——光子与物质粒子的比例是100亿:1——但也已经出现一些由电子组成的等离子体。由于光子和电子既是粒子,又是波,都有自己的波长和频率。当光子遇到电子时,只要光波的频率小于电子振荡的频率,它就会被电子反射回来。如果一个微型黑洞被一圈等离子体包裹着,光子在黑洞视界和等离子体之间来回反射,那么这一圈电子等离子体就构成了一面可以让光子增殖放大的“镜子”。

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  尤其重要的是,电子的振荡频率依赖于电子数密度。在一个疯狂膨胀的早期宇宙中,电子数密度是持续下降的。到了某个时候,电子的振荡频率将降到小于把光子“囚禁”起来所需的临界频率。于是,这些光子就会在瞬间以极高的亮度和热量喷射出来,就好比一颗炸弹突然爆炸一样——尽管没有碎片,只有刺目的光芒和高温的热浪。

  这样一种爆炸应该可以产生可观察的结果。譬如说,我们知道,整个宇宙弥漫着均匀的2.7K微波背景辐射,如果存在这样一种“黑洞炸弹”,它们在爆炸时向四周喷射出巨大的热量,那么在它们附近,辐射的温度就会远高于2.7K。

  罗布和他的同事已经着手在宇宙背景辐射数据中寻找其存在的蛛丝马迹,但现在结果暂时还没出来。

  天文学家对“黑洞炸弹”的兴趣并非仅限于暗物质。如果原初黑洞真的存在,那么早期宇宙产生它们的那个过程,可能是一种类似水蒸气凝结成液态水的相变过程。这种相变也是天文学家热切希望寻找到的,因为这或许可以为我们一窥早期宇宙的状态开启一扇独特的窗口。

责任编辑: Q三

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