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第3章 黑洞的分类

1.暗能量黑洞和物理黑洞

按组成来划分,黑洞大致可以分为两大类:暗能量黑洞和物理黑洞。暗能量黑洞主要由高速旋转的巨大暗能量组成,内部没有巨大的质量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋转,其内部产生巨大的负压,以吞噬物体,从而形成黑洞。暗能量黑洞是星系形成的基础,也是星团、星系团形成的基础。

物理黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成,具有巨大的质量。当一个物理黑洞的质量等于或大于一个星系的质量时,我们称之为奇点黑洞。暗能量黑洞的体积很大,可以有太阳系那样大。但物理黑洞的体积却非常小,它可以缩小到一个奇点。

2.超巨质量黑洞、小质量黑洞和中型黑洞

按大小来划分,黑洞可大致分为三类:

(1)超巨质量黑洞

假如一个天体的密度为1000千克/立方米(水在普通条件下的密度),而其质量约为1.5亿个太阳质量的话,它的史瓦西半径会超过它的自然半径,这样的黑洞被称为是超巨质量黑洞。

一般认为它们不是由星群收缩碰撞造成的,而是从一个恒星黑洞开始不断增长、与其他黑洞合并而形成的。一个星系越大,其中心的超巨质量黑洞也越大。现在一般认为,在所有星系的银心,包括银河系在内,都会有超巨质量的黑洞。银河中心有超巨质量黑洞,它的质量是太阳质量的105~1010倍。一般来讲,在所有的星系的银心,包括银河系在内都会有超重黑洞。

(2)小质量黑洞

质量为太阳质量的10~20倍,即超新星爆炸以后所留下的核心质量是太阳的3~15倍就会形成黑洞。

理论预测,当星球质量为太阳的40倍以上,可不经超新星爆炸过程而形成黑洞。

(3)中型黑洞

中型黑洞由小质量黑洞合并形成,最后变成超巨质量黑洞。中型黑洞是否真实存在仍然还在探索中。超巨质量黑洞与其他相对较低质量的黑洞相比较,有一些有趣的区别:超巨质量黑洞的平均密度很低,甚至比空气的密度还要低。这是因为史瓦西半径是与其质量成正比,而密度则是与体积成反比。由于球体(如非旋转黑洞的事界)的体积是与半径的立方成正比,而质量差不多以直线增长,体积的增长率则会更大。因此,密度会随黑洞半径的增长而减少。在视界附近的潮汐力,会明显较弱。由于中央引力奇点,距离视界很远,若假想一个太空人向黑洞的中央移动时,他不会感受到明显的潮汐力,直至他到达黑洞的深处。

超巨质量黑洞的形成,有几个方法。最明显的方法,是以缓慢的吸积(由恒星的大小开始)来形成。另一个方法,涉及气云萎缩成数十万太阳质量以上的相对论星体。该星体会因其核心产生正负电子对所造成的径向扰动,而开始出现不稳定状态,并会直接在没有形成超新星的情况下,萎缩成黑洞。第二个方法,涉及了正在核坍缩的高密度星团,它那负热容会促使核心的分散速度,成为相对论速度。第三个方法,是在大爆炸的瞬间,从外压制造太初黑洞。

形成超巨质量黑洞的问题,在于如何将足够的物质加入足够细小的体积内。要做到这个情况,差不多要将物质内所有的角动量移走。向外移走角动量的过程,就是限制黑洞膨胀的因素,并会导致形成吸积盘。

根据观测,黑洞的类别有一些差距。一些从恒星坍缩的黑洞,最多约有10太阳质量。最小的超巨质量黑洞,约有数十万太阳的质量。但却没有在它们之间质量的黑洞。不过,由模型看出,异常明亮的X射线源,有可能是在这里遗失范围的黑洞。

3.恒星黑洞和微型黑洞

假如一个天体的密度为核密度相当于中子星的密度,而其总质量在太阳质量的三倍左右,则该天体会被压缩到小于其史瓦西半径,形成一个恒星黑洞。

小质量的史瓦西半径也非常小。一个质量相当于喜马拉雅山的天体的史瓦西半径,只有1纳米。目前没有任何可以想象得出来的原理,可以产生这么高的密度。一些物理学家认为,高能宇宙射线与地球大气分子碰撞时,可能产生微小质量黑洞。这些黑洞的质量如此之小,只有10微克左右,并且非常不稳定,可能在极短的时间里,就会爆炸成为一簇粒子,像下雨一样簇射向地球大气层。

高能宇宙粒子穿过大气时,可能产生许多异常微小而短命的黑洞,它们爆炸的形态如雨倾泻在地球上。希腊克里特大学的塞奥佐鲁·托马拉斯与两位俄罗斯研究者提出,如果上述微型黑洞产生和湮灭的情景是真的,最近30年来设置在高山上的宇宙射线探测器发现的神秘“半人马”现象,就能得到合理解释。这种奇异现象的特点是,探测器反常地捕捉到大量带电的、由夸克组成的粒子,而且探测器底部捕捉到的粒子比顶部多得多。科学家以神话中头小身躯大的“半人马”来比拟它。过去30年间,高山探测器共发现了超过40次“半人马”现象。科学界对此现象提出了多种假说,托马拉斯等人认为微型黑洞的解释比较合理。他们推算了高能粒子产生的微型黑洞在探测器附近爆炸时产生的信号,发现与探测器实际记录到的信号吻合。如果这一理论正确,意味着微型黑洞的确存在,也意味着其为高维宇宙理论提供了依据。

对大多数人来说,可怕的黑洞是遥远宇宙中的事,离我们还很遥远。然而宇宙黑洞的“小亲戚”——微型黑洞在地球上无所不在,并且给人类带来许多麻烦和灾难。地球上好些神秘现象都跟微型黑洞有关,譬如火山爆发时的能量和热量总是聚集在地球的特定地点,并且源源不尽。一些科学家甚至怀疑,太阳的能量通过黑洞传到了地球的深处。在此之前,一些物理学家就认识到,太阳上并不仅仅只有核能,还存在着微型黑洞,并且每一颗行星内部可能都有微型黑洞。

微型黑洞是地球地幔中隐藏着一些细小的黑洞,它成为使岩浆处于沸腾状态的热源,而微型黑洞发射的中微子数量是太阳的1000倍,因此在火山内部较易观测到中微子。

欧洲粒子物理实验室于2007年开始运行的大型强子对撞机,可产生足够高能的粒子。因而每天能够制造出成千上万的微型黑洞。大型强子对撞机是世界最大的粒子加速器,它可以用长达27千米的环形隧道加速粒子,然后使它们相撞,以每秒1个的速度,模拟制造极为微小的黑洞。

4.最大黑洞与最小黑洞

芬兰图尔拉天文台发现了宇宙中最大的黑洞。这个黑洞的质量,大约是太阳的180亿倍,是以前发现最大黑洞的6倍。这个黑洞的质量,相当于一个小型星系,它距离地球35亿光年,形成于OJ287类星体的中心位置。类星体是一种极端明亮的星体,它的物体将持续螺旋状进入一个大型黑洞,并释放大量辐射线。然而十分特殊的是,OJ287类星体里“住着”两个黑洞,除此之外,还有一个质量略小的黑洞,这样的星体组合,使天文学家能够更为精确地对宇宙中最大的黑洞“测量体重”。在OJ287类星体中,较大黑洞的重力场作用,导致小黑洞的运行轨道,出现难以置信的倾斜39度,这种作用显著地影响小黑洞碰撞大黑洞的周边物质。

美国宇航局戈达德太空飞行中心发现了宇宙中最小的黑洞,它位于XTEJ1650-500双星系统之中,质量仅为太阳的3.8倍,直径只有24千米左右。这个最小的黑洞,是在银河系天坛星座中的一个双星系统中发现的。天坛星座,是南半球靠近矩尺座及望远镜座的一个星座。2001年天文学家用X射线时变探测器发现了这个双星系统,之后天文学家很快认识到,此系统中有一个质量比较轻的黑洞。但此黑洞的质量,一直没有进行精确的测量。

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