正在併合中的黑洞。來源/Wiki
第1問:黑洞的另一端會是什麼樣呢?
答:按照現有的一些看法,黑洞的另外一端可以連接着白洞,也意味着掉入到黑洞的東西,會沿着黑洞的另外一頭出去。也有些看法認為,黑洞是連接另外一個宇宙或者星系的通道,到目前有不同的說法,因為我們沒法進行驗證,所以究竟哪一種說法對,我們還不知道。
第2問:兩個黑洞相遇的話,是不是會融合成為更大的黑洞?
答:兩個黑洞相遇的話,應該會有可能融合成一個很大的黑洞。這裡說會有可能,是因為雖然兩個黑洞在最後彼此融合只需要很短的時間,然而它們需要很長的時間才會彼此融合到一起,如果周圍有氣體存在的話,會產生一定的電磁輻射,如果周圍沒有氣體,那麼兩個黑洞在繞轉的過程當中,會有相應的引力波產生。到目前為止,LIGO探測器已經探測到了將近100例左右的雙黑洞合併的系統了。
第3問:銀河系中心的黑洞將來會不會吞噬整個銀河系?
答:在我們銀河系的中心有一個超大質量的黑洞,在銀河系的其它地方分布着上億個左右的恆星級黑洞。對於黑洞的長大其實就是通過不斷吞噬周圍的物質,然而我們知道,我們銀河系中心的黑洞質量大約是400萬倍的太陽質量,雖然在其周圍有一定的氣體和恆星,但是這些恆星或者說其他的天體運行距離相對都比較遠,所以很難直接變成黑洞的一部分,只有那些非常靠近黑洞的部分才會變成黑洞的一部分。所以我們說銀河系中心的黑洞並不會吞噬整個銀河系,進而變成一個超大的黑洞。
黑洞與白洞的想象圖。來源/Wiki
第4問:黑洞是不是個有意識的洞?好像饕餮,什麼都吃。
答:如果是一個有意識的洞,那麼黑洞就會選擇性的吃東西,然而據我們現在所知,黑洞是對所有掉入其中的事物不加選擇,只要掉入到黑洞中去,便會成為其一部分。
第5問:霍金說黑洞不僅僅能吸收一切物質(包括光線),同時也會放出一些物質,那麼放出的這些東西到底是什麼呢?是物質?還是能量?
答:按照我們現在的理解,黑洞是一個無所不吃的天體,凡是在黑洞附近,都會被黑洞吸進去變成自身的一部分,這就是我們所理解的經典黑洞。然而我們知道,黑洞不僅僅會將附近的物質吸收變成自身一部分,與此同時,也會釋放出一部分極其微弱的輻射,這就是非常著名的霍金輻射,因為物理學家霍金最早預測此輻射的存在。儘管霍金預言了此輻射的存在,但是很遺憾的是到目前為止我們還沒有探測到這種輻射,雖然有研究人員曾經試圖探測到它們,因為它們太微弱了。因為目前沒有直接的探測,所以都是一些理論上的說明。按照理論而言,這种放出來的東西既可以是物質,也可以是能量。
第6問:愛因斯坦在晚年曾否定過黑洞的存在,那麼我們如今所說的「黑洞」是否是愛因斯坦所設想的黑洞,如果不是,那黑洞是否存在,不是又是為何?是不是愛因斯坦錯了呢?
答:在愛因斯坦在的年代,首先對於黑洞是否真的存在的問題大家都不是很清楚,我們知道,1915年愛因斯坦提出廣義相對論,而在幾個月之後,身處德國戰線的史瓦西就得到了沒有轉動黑洞的精確解。然而因為沒有轉動,宇宙間的一切天體也都是有轉動的,所以愛因斯坦在去世之前的一段時間之內,都不太相信黑洞的存在,這種局面一直持續到愛因斯坦去世之後的一些年。一直到1963年,新西蘭的數學家羅伊·克爾(Roy Kerr)得到了旋轉黑洞的精確解,而在之後一年,目前所知道的第一個黑洞候選體被發現。所以證明了愛因斯坦的說法是不對的。我們知道愛因斯坦提出了光電效應,狹義和廣義相對論等等,但是愛因斯坦也是會犯錯誤的,最為知名的就是愛因斯坦相信穩態宇宙,後來當宇宙膨脹被發現的時候,愛因斯坦就說這是他犯過的最大錯誤。
霍金輻射的想象圖。來源/Wiki
第7問:黑洞是二維的還是三維的?
答:對於黑洞究竟是二維的還是三維的,目前並沒有確切的觀測答案。我們通常的認識是一個三維的黑洞,類似於一個球體,只要有東西掉入,最後就會掉入到黑洞裡面。然而新近的一些膜理論認為,我們所認識的一些黑洞,其實是一個膜,並不是所謂的三維事物,掉進去的事物其實都是集中在黑洞的表面。
第8問:每一個黑洞都可以產生黑洞噴流嗎?
答:黑洞的噴流是與黑洞周圍的氣體緊密相關的。要想產生噴流,首先黑洞周圍要有足夠的氣體,這些氣體形成一個氣體盤,最後如果條件合適的話,那麼部分的氣體會在掉入黑洞的過程中,掉入到黑洞之前,沿着黑洞的轉軸方向噴射出去,形成噴流。所以說噴流只是在特定情況下產生的,在宇宙當中,大約只有10%左右的超大質量黑洞才會產生黑洞噴流。
第9問:大型強子對撞機是怎麼產生黑洞的?
答:到目前為止,我們還沒有利用對撞機產生黑洞,這僅僅是大家的一個設想而已。
第10問:銀河系的中心是超大質量的黑洞嗎?
答:我們銀河系的中心是超大質量黑洞,它的質量是400萬倍的太陽質量。美國UCLA大學的安德烈亞·蓋茲(Andrea Ghez)教授和德國馬克斯-普朗克太空物理學研究所的萊因哈德·根澤爾(Reinhard Genzel)教授因確認銀河系中心是黑洞並且測量它的質量而獲得了2020年的諾獎。儘管我們銀河系中心的黑洞引力超強,但它也是對它附近或者靠近它的天體、氣體才有破壞力,對於距離它比較遠的物理沒有太多的作用,其它的天體可以安然地存在。
錢德拉X射線空間望遠鏡拍攝的銀河系中心超大質量黑洞方向。版權/MIT
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作者簡介/苟利軍,中國科學院國家天文台研究員,中國科學院大學天文學教授。《中國國家天文》雜誌執行總編,北京天文學會副理事長。主要研究興趣為高能天體物理。曾獲得中國國家優秀科普圖書獎、國家圖書館文津獎以及全國優秀科普微視頻一等獎等獎項。
本文轉載自《中國國家天文》微信公眾號
9.一維費米氣體中的自旋電荷分離