天體物理學導論/黑洞

黑洞是物理學中的一種理論物體，其引力非常強，以至於任何東西都無法逃逸。黑洞的概念源於宇宙速度極限，即光速。這創造了一種我們稱之為事件視界的異常現象。

事件視界和史瓦西半徑

事件視界本質上是黑洞的“皮膚”。它是黑洞內部和外部之間的屏障。當你位於黑洞外部時，你就位於事件視界之外。你仍然能夠與宇宙中的其他部分進行交流，儘管你的交流訊號可能會由於引力效應而發生嚴重紅移。任何穿過事件視界的東西都將永遠無法逃逸。因此你可能現在正在問自己，事件視界是如何產生的，我們如何確定它的位置？答案是，我們計算它的史瓦西半徑。史瓦西半徑是由卡爾·史瓦西在1916年發現的。這是基於宇宙速度極限和能量守恆的概念。所以讓我們做一個非相對論推導。

首先，我們從一個系統的總能量方程開始。

$E={\frac {1}{2}}m_{1}v^{2}-G{\frac {m_{1}M_{2}}{r}}$

其中 $m_{1}$ 是某個任意物體的質量，v 是它的速度，G 是萬有引力常數。 $M_{2}$ 是將成為我們黑洞的巨大物體的質量，r 是從我們黑洞物體中心到該物體的半徑。所以我們現在將最大化 $m_{1}$ 的動能，方法是將其速度設定為光速。所以

$E={\frac {1}{2}}m_{1}c^{2}-G{\frac {m_{1}M_{2}}{r}}$

只要物體的總能量為正，它就可以逃離黑洞，而不會被困在它的事件視界中。所以我們可以說，如果一個物體的能量小於或等於零，那麼它就會被困在事件視界內。換句話說

$E\leq 0$

這給出了

${\frac {1}{2}}m_{1}c^{2}-G{\frac {m_{1}M_{2}}{r_{s}}}\leq 0$

現在求解 r

${\frac {1}{2}}m_{1}c^{2}\leq G{\frac {m_{1}M_{2}}{r_{s}}}$

$m_{1}$ 被消掉了。

${\frac {1}{2}}c^{2}\leq G{\frac {M_{2}}{r_{s}}}$

$r_{s}\leq G{\frac {2M_{2}}{c^{2}}}$

所以只要半徑小於右邊的值，你就在黑洞的範圍內。

宇宙學和黑洞

物理學家喜歡問天文學發現的一個問題是，這些發現告訴我們宇宙的本質是什麼？具體來說，宇宙學家想知道宇宙是開放的還是封閉的，是在膨脹還是在收縮。那麼史瓦西半徑對此能說些什麼呢？請記住，儘管這個結果很有趣，但它不是最終答案。事實證明，透過對宇宙質量的一些估計，並假設宇宙中存在均勻的密度，以及由哈勃常數確定的宇宙半徑，宇宙可能滿足史瓦西半徑的要求，並具有成為黑洞的臨界密度。但正如任何宇宙學家都會告訴你，資料的誤差太大，以至於科學家無法確定最終答案是什麼。黑洞是宇宙歷史上最重要的東西之一，因為它們塑造了宇宙，使它成為今天的樣子。

黑洞的探測

黑洞的主要問題在於它們無法直接探測。我們無法看到它們。因此，天文學家和天體物理學家尋找它們的影響。有一些跡象可以用來尋找它們。

首先是物體圍繞著空無一物的東西高速旋轉，這可以透過對向心力的相對論計算來確定。這些計算還可以用來估計黑洞的大小和質量。

科學家尋找的第二件事是吸積盤。這些是由黑洞吞噬附近物體中的物質和粒子時形成的物質盤。粒子獲得瞭如此巨大的能量和熱量，它們開始發熱並輻射光。這可以用來確定整個系統的許多資訊。通常，吸積盤是由圍繞的恆星形成的。

第三種，可能是最不常見的方法，涉及測量週期性的 X 射線發射。

黑洞的理論問題

正如流行的看法可能證明的那樣，黑洞實際上確實給物理學帶來了一些理論問題。其中一個最主要的問題是能量借用。在物理學中，為了使一些反應發生，必須從宇宙中“借用”一些能量來創造一個特定的粒子。這通常會產生兩個粒子：所需的粒子及其配對的夥伴粒子。例如，τ 粒子和τ 中微子。現在假設這種情況發生在黑洞視界邊緣，一個粒子被吸進去而另一個粒子沒有。這兩個粒子無法重新組合並湮滅回能量。現在假設這種情況無限地發生。我們得到的結果可能是宇宙中無限的能量洩漏，以及黑洞內部無限的質量增加。這是一個必須由物理學家解釋的問題。

黑洞的最新發現

這裡會提到一些最新的發現，但不會進行解釋。

黑洞可能沒有光滑的表面。

可能到處都有微小的黑洞。

關於黑洞的誤解

在眾多粒子加速器開放期間，發生了許多抗議活動，因為抗議者害怕使用粒子加速器會產生巨大的黑洞，吞噬世界。這些人相信這是由於這些事件中產生的能量巨大。與他們的看法相反，這種情況不會發生。你必須將極其巨大的物體限制在一個非常小的空間內才能創造出黑洞。事實上，要將地球變成黑洞，你必須將其半徑縮小到大約 20 毫米。