一 : 神奇的黑洞
神奇的黑洞
黑洞是一种引力极强的天体,就连光也不能逃脱.当恒星的史瓦西半径小到一定程度时,就连垂直表面发射的光都无法逃逸了.这时恒星就变成了黑洞.说它“黑”,是指它就像宇宙中的无底洞,任何物质一旦掉进去,“似乎”就再不能逃出.由于黑洞中的光无法逃逸,所以我们无法直接观测到黑洞.然而,可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在.黑洞引申义为无法摆脱的境遇.2011年12月,天文学家首次观测到黑洞“捕捉”星云的过程
黑洞[1][2]的产生过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在自身重力的作用下迅速地收缩,塌陷,发生强力爆炸.当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星体,同时也压缩了内部的空间和时间.但在黑洞[3]情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想象的物质.由于高质量而产生的力量,使得 黑洞
任何靠近它的物体都会被它吸进去.黑洞开始吞噬恒星的外壳,但黑洞并不能吞噬如此多的物质,黑洞会释放一部分物质,射出两道纯能量——伽马射线.
也可以简单理通常恒星的最初只含氢元素,恒星内部的氢原子时刻相互碰撞,发生聚变.由于恒星质量很大,聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡,以维持恒星结构的稳定.由于聚变,氢原子内部结构最终发生改变,破裂并组成新的元素——氦元素.接着,氦原子也参与聚变,改变结构,生成锂元素.如此类推,按照元素周期表的顺序,会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成.直至铁元素生成,该恒星便会坍塌.这是由于铁元素相当稳定不能参与聚变,而铁元素存在于恒星内部,导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡,从而引发恒星坍塌,最终形成黑洞.说它“黑”,是指它就像宇宙中的无底洞,任何物质一旦掉进去,就再不能逃出.跟白矮星和中子星一样,黑洞可能也是由质量大于太阳质量好几倍以上的恒星演化而来的.
当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢）,由中心产生的能量已经不多了.这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量.所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直到最后形成体积无限小、密度无限大的星体.而当它的半径一旦收缩到一定程度（一定小于史瓦西半径）,质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”诞生了.
恒星的时空扭曲改变了光线的路径,使之和原先没有恒星情况下的路径不一样.光在恒星表面附近稍微向内偏 黑洞
折,在日食时观察远处恒星发出的光线,可以看到这种偏折现象.当该恒星向内坍塌时,其质量导致的时空扭曲变得很强,光线向内偏折得也更强,从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难.对于在远处的观察者而言,光线变得更黯淡更红.最后,当这恒星收缩到某一临界半径（史瓦西半径）时,其质量导致的时空扭曲变得如此之强,使得光向内偏折得这么也如此之强,以至于光线再也逃逸不出去 .这样,如果光都逃逸不出来,其他东西更不可能逃逸,都会被拉回去.也就是说,存在一个事件的集合或时空区域,光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者,这样的区域称作黑洞.将其边界称作事件视界,它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合.
黑洞图片(20张)
与别的天体相比,黑洞十分特殊.人们无法直接观察到它,科学家也只能对它内部结构提出各种猜想.而使得黑洞把自己隐藏起来的的原因即是弯曲的时空.根据广义相对论,时空会在引力场作用下弯曲.这时候,光虽然仍然沿任意两点间的最短光程传播,但相对而言它已弯曲.在经过大密度的天体时,时空会弯曲,光也就偏离了原来的方向.
在地球上,由于引力场作用很小,时空的扭曲是微乎其微的.而在黑洞周围,时空的这种变形非常大.这样,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落入黑洞中消失,可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球.观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样,这就是黑洞的隐身术.
更有趣的是,有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球,它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球.这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”,还同时看到它的“侧面”、甚至“后背”,这是宇宙中的“引力透镜”效应.
1.巨型黑洞
宇宙中大部分星系,包括我们居住的银河系的中心都隐藏着一个超大质量黑洞.这些黑洞质量大小不一,从约100万个太阳质量到大约100亿个太阳质量.
天文学家们通过探测黑洞周围吸积盘发出的强烈辐射推断这些黑洞的存在.物质在受到强烈黑洞引力下落时,会在其周围形成吸积盘盘旋下降,在这一过程中势能迅速释放,将物质加热到极高的温度,从而发出强烈辐射.黑洞通过吸积方式吞噬周围物质,这可能就是它的成长方式.
这项最新的研究采用了全世界最先进的地基观测设施,包括位于美国夏威夷莫纳克亚山顶,海拔4000多米处的北双子座望远镜,位于智利帕拉那山的南双子座望远镜,以及位于美国新墨西哥州圣阿古斯丁平原上的甚大阵射电望远镜.
2.大质量黑洞的成长
观测结果显示,出现在宇宙年龄仅为12亿年时的活跃黑洞,其质量要比稍后出现的大部分大质量黑洞质量小10倍.但是它们的成长速度非常快,因而现在它们的质量要比后者大得多.通过对这种成长速度的测算,研究人员可以估算出这些黑洞天体之前和之后的发展路径.
该研究小组发现,那些最古老的黑洞,即那些在宇宙年龄仅为数亿年时便开始进入全面成长期的黑洞,它们的质量仅为太阳的100到1000倍.研究人员认为这些黑洞的形成和演化可能和宇宙中最早的恒星有关.
天文学家们还注意到,在最初的12亿年后,这些被观测的黑洞天体的成长期仅仅持续了1亿到两亿年.
这项研究是一个已持续7年的研究计划的成果.特拉维夫大学主持的这项研究旨在追踪研究宇宙中最大质量黑洞的演化,并观察它们对宿主星系产生的影响.
3.黑洞的好处（别认为他只会是破坏者）
在用天文仪器探究后,发现在银河系核心部,有上10个黑洞,所产生的引力不堪设想,它们的能量相当大,可以产生一种能量束,产生一种气体,经数十亿年之后,便形成了星云,由星云便产生了行星.
4.已知最大的黑洞
美国加州大学伯克利分校华裔天文学家马中佩带领一个科研小组,最近发现了科学界迄今所知最大的两个黑洞.它们分别位于NGC 3842和NGC 4889星系,属银河系的中心地带,距离地球约2.7万光年,每个质量约为太阳的100亿倍.
二 : 奇点黑洞
每一个黑洞的中心都有一个奇点：在那里，密度无穷大、引力无穷大，所有已知的物理规律统统崩溃，科学完全不起作用。物理学家一直认为——或者说希望奇点永远被囚禁在黑洞内部，这样就不会对外面的世界产生不可预测的影响。然而，他们或许都错了：大质量恒星的引力坍缩或许最终不会形成黑洞，而是产生一个直接暴露在外面的裸奇点。
每个星系的中心都有1个暗能量黑洞，它的尺度不到星系的0.1%，我们称这个区域为A区。A区的半径用R0来表示。星系中某点到星系中心的距离用R来表示。
A区之后是1个暗能量渐变区，称之为B区。在B区中，暗能量的分布随着距离R的增大而逐渐减小，恒星绕星系中心的速度也会逐渐减小，因为恒星的运动是由暗能量来推动的。根据银河系的结构，B区的尺度约占星系的30%。
B区之后是1个暗能量均匀分布区，称之为C区。在C区中，由于暗能量分布均匀，所以，恒星绕星系中心运动的速度基本相同。根据银河系的结构，C区的尺度约占星系的70%。很显然，B区中恒星的速度比C区中恒星的速度大很多。
在暗能量的衰退过程中，星系旋涡场发生收缩，B区和C区同时收缩，但A区基本上不变。在B区收缩过程中，靠近A区边缘的恒星将逐个地被巨大的负压吸入内部。A区内的负压非常大，所以，进入A区内的恒星都会被撕碎，它们化成飞灰之后跟随A区一齐旋转。高速度旋转的恒星灰烬会消耗A区的暗能量，它必然会导致A区的旋转速度变慢。A区吸入的恒星越多，它的旋转速度就会越慢。当进入A区内的恒星质量足够大时，A区内暗能量的旋转将产生超负荷，它再也无法承担起A区内物质的高速度旋转。结果，A区内的物质就会靠近和积聚在它的旋涡中心，以便减少暗能量的旋转负荷。旋涡中心处积聚的物质越来越多，最后形成1个巨大的星体，暗能量黑洞从此消失。暗能量不断地衰退，星系中心处的星体质量越来越大。在这个过程中，星体是不会发生爆炸的。有关恒星爆炸的原因请参看“中子星的形成”。当星体的质量太大时，它内部就会发生坍缩。首先坍缩为白矮星，再次坍缩为中子星。随着质量的不断增大，它的内部会进1步坍缩，变成1个物理黑洞。暗能量继续衰退，星系继续收缩，物理黑洞的质量越来越大。物理黑洞的质量越大，它的引力就越大，星系收缩的速度也越快。最后，那巨大的星系将完全被这个物理黑洞吞没，变成1个奇点黑洞。
所以，暗能量黑洞转变为奇点黑洞的过程就星系的死亡过程。相反，奇点黑洞转变为暗能量黑洞的过程就是星系的诞生过程。
三 : 数字黑洞 数学中也存在黑洞！奇妙的数学黑洞
茫茫宇宙之中，存在着一种极其神秘的天体“黑洞”。黑洞的密度极大，引力极强，任何物质经过它的附近，都会被它吸进去，再也不能出来，光线也不例外，因此黑洞是一个不发光的天体。无独有偶，在数学中也有这种神秘的“黑洞”现象，对于数学黑洞，无论怎样设值，在规定的处理法则下，最终都将得到固定的一个值，再也跳不出去，就像宇宙中的黑洞一样。目前已经发现的数学黑洞大致可分为以下几种类型：
1、123黑洞(即西西弗斯串)
取任意一个数字，数出它的偶数个数、奇数个数及总的位数。例如1234567890，其偶数个数总共5个，奇数个数也为5个，数字总数为10个。按“偶―奇―总”的位序排列，得到新数为：5510。重复上述步骤，得到t34；再重复，得到123。
我们可以用计算机编程测试，任意一个数按上述算法经有限次重复后都会得到123。换言之，任何数的最终结果都无法逃逸123黑洞。
2、卡普雷卡尔黑洞
取任何一个4位数(4个数字均为同一个数字的除外)，将组成该数的4个数字重新组合成可能的最大数和最小数，再将两者求差；对此差值重复同样过程（例如取数8028。最大的重组数为8820，最小为0288，两者差为8532。重复上述过程得到8532-2358=6174)，最后总是达到卡普雷卡尔黑洞值：6174。以上计算过程称为卡普雷卡尔运算，这个现象称为归敛，其结果6174称归敛结果。
3、自恋性数字黑洞
当一个n位数的所有数位上数字的n次方和等于这个数本身，这个数就叫自恋数。显然1，2，3，…，9是自恋数。三位数中的自恋数有四个：153，370，371和407(这四个数被称为“水仙花数”)。同理还有四位的“玫瑰花数”(1634，8208；9474)、五位的“五角星数”(54748，92727，93084)。当数字个数大于五位时，这类数字就统称为“自幂数”。
自恋性数字也是黑洞的一种。例如，取任意一个可被3整除的正整数，分别将其各位数字的立方求出，将这些立方值相加组成一个新数，然后不断重复这个过程，最终结果即为153。
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