距離地球最近的黑洞是2800光年外的麒麟座V616,我們能觀測到它完全得益于它有一顆0.5倍太陽質(zhì)量的黑洞,因?yàn)楹诙吹囊_動對這顆恒星的運(yùn)行以及光譜都發(fā)生了變化,從而可以計(jì)算出這顆黑暗天體的質(zhì)量高達(dá)太陽的9-13倍,而高于奧本海默極限的天體成了距離地球最近的候選黑洞之一!
一、為什么我們難以直接發(fā)現(xiàn)黑洞?
黑洞不發(fā)光,因此在黑暗背景下的宇宙中是難以通過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡直接發(fā)現(xiàn)的,那么我們是怎么發(fā)現(xiàn)黑洞的呢?
1、對伴星的引力擾動
2、伴星的光譜引力紅移
3、引力透鏡
4、通過吸積盤的超強(qiáng)X射線源
而通過異常X射線源是發(fā)現(xiàn)黑洞的主要途徑!但這有一個問題,黑洞不是不發(fā)光么,怎么又能通過X射線源來發(fā)現(xiàn)黑洞的蹤跡?
錢德拉硬X射線望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)銀心附近眾多的X射線源,因?yàn)檫@是黑洞的吸積盤所發(fā)出,因?yàn)槲镔|(zhì)在掉落黑洞前會被極度壓縮加熱后的輻射,或者稱之為“最后的吶喊”也不為過!但過了黑洞的視界之后,黑洞除了引力和傳說中的霍金輻射以外,就不會再輻射任何其它信號了!
二、很多星的質(zhì)量都遠(yuǎn)超黑洞,為什么黑洞不發(fā)光,而恒星依然發(fā)光呢?
其實(shí)比黑洞質(zhì)量大的恒星有很多,在銀河系中比如海山二,它的質(zhì)量大約是太陽的100-150倍!在大麥哲倫星系蜘蛛星云中的R136a1,則是已知恒星中質(zhì)量最高的,大約是太陽的256倍!當(dāng)然R136星團(tuán)中個個都是巨無霸,比如R136a2約為太陽的179倍,R136a3約為太陽的180倍!蜘蛛星云看來是一片福地,恒星質(zhì)量都極高!這些恒星無疑都遠(yuǎn)超很多黑洞,比如上文的麒麟座V616,為太陽質(zhì)量的9-13倍!天鵝座X-1則為太陽的8.7倍,跟這些恒星比起來,黑洞就是一個小弟弟!那么為什么黑洞連光都無法逃脫,恒星則整體無所事事的發(fā)光發(fā)熱呢?
也許我在這里必須得引入一個環(huán)繞速度的概念!
環(huán)繞速度即第一宇宙速度,當(dāng)物體環(huán)繞天體運(yùn)行速度夠高時,圓周運(yùn)動產(chǎn)生的“離心力”與該物體與受到的引力平衡,那么此時它將一直環(huán)繞天體而不至于掉落!但此時它也無法逃逸,必須擁有更高的速度!兩者的關(guān)系是
G為萬有引力常數(shù)
M為天體質(zhì)量(非物體質(zhì)量)
r為天體半徑
這幾個參數(shù)中G是固定不變的,在一定的情況下天體的質(zhì)量M與半徑有一個變化范圍:
恒星質(zhì)量范圍:0.08-256倍太陽質(zhì)量(R136a1為例)
恒星的半徑范圍:0.1-1708太陽直徑
而一個在主序星狀態(tài)的恒星的半徑與質(zhì)量大致呈一個正比,因此我們可以計(jì)算出恒星的環(huán)繞速度總是一個并不是特別大的正整數(shù)值:
太陽的環(huán)繞速度:436.6KM/S
天狼星的環(huán)繞速度:479.4千米/S
R136a1的環(huán)繞速度:1174.1KM/S
可見在主序星階段的恒星的環(huán)繞速度和質(zhì)量基本成比例提升,但即使是質(zhì)量最高的R136a1,也只有1174千米/S而已,而光每秒接近30萬千米,因此從表面逃逸是輕而易舉的事情!
那么黑洞呢?其環(huán)繞速度是多少?
要計(jì)算黑洞的環(huán)繞速度,必須要了解一個史瓦希半徑的概念!
史瓦希半徑:任何有質(zhì)量物體的一個臨界半徑值,只要該物體坍縮至這個尺寸下,那么將無可避免的坍縮成黑洞!
其實(shí)眼見的朋友就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了,這是以光速為逃逸速度計(jì)算的一個物體的半徑!也就是第二宇宙速度公式的一個變換!在這個半徑上,環(huán)繞速度為光速!太陽的史瓦希半徑為2.952千米!地球的史瓦希半徑約為9毫米!只要天體坍縮到這個尺寸時,再強(qiáng)大的光都無法逃逸,但在史瓦希半徑以外,逃逸速度小于光速!
當(dāng)然在說明黑洞環(huán)繞速度時說的都是在史瓦希半徑處的環(huán)繞速度,因?yàn)楹诙床⒉皇且粋€有實(shí)體尺寸的天體,它的奇點(diǎn)直徑無限小,因此無論是從環(huán)繞速度還是逃逸速度計(jì)算,你會發(fā)現(xiàn)速度都是無窮大,因此沒有任何已知物質(zhì)可以從黑洞的史瓦希半徑內(nèi)逃逸!
也可以簡單的理解成,在這個問題中,質(zhì)量很關(guān)鍵,因?yàn)橹挥写笥趭W本海默極限(3.2倍太陽)以上的天體才可能坍縮為黑洞,但它的尺寸更關(guān)鍵!這是讓光能否逃離的絕對參考值!