黑洞與暗物質都看不見,它們有什麼區別,是不是一碼事…


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黑洞與暗物質都看不見,它們有什麼區別,是不是一碼事呢?

在一些人頭腦中,認為黑洞很“黑”,因此看不見;暗物質很“暗”,也是看不見。既然這樣,它們不就是一回事了?看不見似乎成了暗物質和黑洞的一個共同特點。

這是一個常見的認識誤區。其實黑洞和暗物質是完全不同性質的兩個事物,它們從來源、生成條件、表現方式、作用機制都是不一樣的。下面我們就一起來討論和認識一下這兩個事物。

先說說黑洞形成的條件。

黑洞是巨大質量的天體,在自身極端的引力壓力下,物質無法支撐可見的存在形態,被壓縮成比基本粒子還小,最後成為無形質量,並無限坍縮到核心那個無限小奇點上。奇點具有“四個無限”性質,即體積無限小、密度無限大、溫度無限高、曲率無限大。

黑洞的解是著名的物理學家、天文學家卡爾·史瓦西在1916年發現的,他在愛因斯坦剛發表的廣義相對論場論基礎上,得到了一個重力場的精確解,即任何具有質量的物體,都有自己的史瓦西半徑,這是一個球狀對稱空間。

史瓦西半徑的計算公式為:R=2MG/c^2。 R就是史瓦西半徑,M為物體質量,G為引力常量,c為光速。這個公式的含義是,不管這個物體有多大,一旦被巨大力量壓縮到自己質量的史瓦西半徑以內,就會成為一個黑洞,中心是具有“四個無限”特點的奇點,奇點周圍會形成一個以史瓦西半徑為界的球形空間,這個空間有無限曲率,任何物質進入這個範圍都會被吃掉,消弭於無形的奇點裡,光也無法逃逸。

這個球形的史瓦西半徑有多大呢?太陽質量為1.9891*10^30kg,根據公式計算其史瓦西半徑約3000m(米);地球質量為5.965*10^24kg,史瓦西半徑只有約9mm(毫米)。就是太陽這個半徑約70萬km的球,如果被壓縮到只有3km半徑這麼大,地球這個半徑6371km的球,壓縮到半徑9mm這麼大,就會成為一個黑洞。

質量再小的原子、質子、中子、電子,都有史瓦西半徑,理論上,把它們壓縮進自己的史瓦西半徑裡,都會變成一個微型黑洞。但目前人類發現的黑洞,都是在自然條件下形成的,而且都是大質量天體形成的,最小質量的黑洞約為太陽質量的3倍。

既然黑洞是“黑的”,為啥還能發現呢?

黑洞的“黑”不是我們通常認為那種“伸手不見五指”的黑,而是完全“沒有”的黑,就像不存在一樣,因為光都被它“吃了”。既然如此,為什麼還能夠被科學家發現呢?這是因為黑洞雖然隱形了,但其自身“氣場”太大了,實體隱形了,但“氣場”隱不了。

這個“氣場”就是黑洞的電荷、質量、角動量。根據愛因斯坦場論,質量會導致時空彎曲,也就是形成引力,黑洞不見了,但它巨大的引力依然存在於宇宙空間,由於黑洞體積很小,靠近黑洞的天體或任何物質,都會被其強大的引力所捕獲,漸漸吃掉。

這樣就會在黑洞周圍形成一個吸積盤,所有天體物質都被黑洞的角動量帶著旋轉,越靠近的物質旋轉就越快,在黑洞史瓦西半徑的交界處,旋轉速度甚至接近光速。物質在這種極速的碰撞中,迸發出巨大的能量,發出耀眼的光芒,不但發出可見光,還會迸發出能量射線,如紫外線、X射線、γ射線等,這些可見光和不可見光都會被望遠鏡和相應的科學儀器所捕捉,因此黑洞就現形了。

黑洞巨大引力的存在,還會對周邊的天體造成擾動,通過觀測周邊天體奇怪的運行軌跡,即便沒有吸積盤的黑洞,也會被發現。如距離我們只有1000光年的HR 6819三星系統(上圖),就是通過兩顆運行軌跡奇異的恆星發現的。這兩顆恆星圍繞著一個看不見空間繞著圈子,經過長期觀測計算,科學家最終得出結論,中間是一顆具有4倍太陽質量的黑洞牽扯著這“兩兄弟”。

再來說說暗物質。

最早提出暗物質可能存在的是荷蘭物理學家雅各布斯·卡普坦。科學家們通過大量的天文觀測,發現大尺度天體運動似乎是違反了牛頓萬有引力定律,比如星系團的星系質量總和,產生的引力根本無法束縛這些星系形成一個這樣的星系團,按照萬有引力定律,這些星系將會四分五裂一盤散沙。

是什麼力量讓這些星系維持著一個有序的抱團狀態呢?是牛頓錯了呢,還是這個世界還存在看不見沒發現的東西?經過大量的觀測研究,科學家們傾向於牛頓沒錯,還是有些東西沒被發現,或者說無法觀測,人們就把這種觀測不到的物質命名為“暗物質”。

經過測算,這種暗物質佔宇宙全部物質總量的85%,也就是說,我們宇宙中可以看見的物質只佔5%,看不見的物質佔85%。只有這樣,才能夠符合牛頓萬有引力定律。現在,科學界精確計算出宇宙總質能包括68.3%的暗能量,26.8%的暗物質,4.9%的可見物質。

通過對宇宙各個方向的星系團觀測計算表明,只要將暗能量比例代入計算,牛頓的萬有引力定律又回來了,準確了。由此可以認為,牛頓沒有錯。在這廣袤的宇宙空間,的的確確存在著一種神秘物質,不但不被我們的視網膜所感知,對迄今為止的任何射電射線望遠鏡和科學儀器都不感知。

暗物質存在的間接證據。

既然人類目前無法通過任何儀器找到“暗物質”,有哪些證據證明暗物質存在呢?

暗物質最主要的作用,還是質量和引力。在我們看不見的空間,到處都存在著暗物質,這些暗物質具有質量,而引力是質量的基本屬性,凡有質量的東西都具有引力,因此暗物質的引力無處不在。正是暗物質作用,才使各種天體能夠形成,並且能夠聚集成團,以致形成整個宇宙大尺度結構。可以說沒有暗物質,就沒有今天的宇宙,也沒有你我的存在。

由於暗物質不參與電磁相互作用,而且與光子相互作用也非常微弱,因此暗物質不發光,我們無法看到;暗物質也不參與強相互作用,否則宇宙最開始核子的合成就會受到擾動,現在的宇宙元素組成就不會是這個樣子了。

很可能在宇宙大爆發不久,暗物質就存在了,100多億年來一直影響著宇宙的形成和演化,因此暗物質存在是穩定的。通過計算機建模模擬,暗物質的運動速度遠遠低於光速,否則宇宙無法在引力作用下形成如今的大尺度結構,因此暗物質又被稱為“冷暗物質”。

這些暗物質存在的證據,都是間接得出的,至今人們並沒有觀測到暗物質到底是什麼樣子,有多大和什麼樣的結構。

暗物質的蛛絲馬跡。

曾經有人認為中微子是暗物質,事實上中微子也有諸多性質和暗物質差不多,比如,都無法被直接觀測到。但中微子有兩點與“冷暗物質”不同,其一就是其以接近光速運行,因此被稱為“熱暗物質”;其二,中微子整體質量遠遠不足以支撐整個宇宙的引力,只佔宇宙總量的約0.0034%。

現在,人們在千米深的地底下建造了很多設施,也發射了許多探測器和衛星,還在大型對撞機裡面做了很多實驗,通過這種立體方式布下天羅地網,企圖找到暗物質的蛛絲馬跡,但迄今為止還幾乎沒找到一例直接證據,這個“幽靈”到底啥模樣,能否揭開還是個未知數。

現在,我們可以看看黑洞和暗物質有哪些不同。

首先,它們存在的形式是不一樣的。黑洞一般是局部存在的形式,是單個的天體,影響範圍只是一個區域;暗物質是瀰漫性存在的,遍布宇宙每一個角落,影響範圍是大尺度天體結構,在單個天體系統無法測量其存在。

其次,它們的隱身方法是不一樣的。黑洞只是隱藏在某一個角落,但掩蓋不住自己的“氣場”,對周圍天體物質會產生可觀測的影響,甚至轟轟烈烈的吞噬,因此較容易被發現;暗物質的影響是大尺度難以確定範圍的,而且是鋪天蓋地潤物細無聲的滲透,小尺度上可以忽略不計,但在整個宇宙,所有可見物質都無法逃脫其控制。

因此,這兩種存在,一個是微觀,一個是宏觀。雖然都可以間接觀測,但對黑洞的觀測是可以形像看得見的觀測,而對暗物質是只可意會,不可言傳,主要是通過數理建模,邏輯運算得出的結果。

通過這個分析,大家應該明白了黑洞和暗物質的區別吧,不會再認為黑洞就是暗物質了吧?如能夠為你解惑,是時空通訊莫大的榮幸。如喜歡就給個關注和點贊吧,謝謝閱讀,歡迎討論。

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