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副刊 > 新教育

2020-10-16 13:00:00 2358013

【光年之外】丁源森/黑洞与咸煎饼

用心教育
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最近几年,黑洞可以说是频频刷屏,其中包括在2015年,因一对约30倍太阳质量的黑洞合并而探测到的引力波信号。当时这两个黑洞不仅仅在时空里泛起了涟漪,更是在科学界掀起大地震。就在探测到引力波的短短两年内,诺贝尔科学委员会就以极其罕有的速度,在2017年颁发诺贝尔物理学奖给这方面的3个先驱。而去年2019年,我们和黑洞的那个酷似甜甜圈的首次亲密“照相”,再次引爆了朋友圈。都还来不及反应过来,就在这篇稿发表的前夕,黑洞又在今年诺贝尔物理学奖再下一城。(作者注:作者段位太低,并没有诺贝尔奖的任何小道消息。纯属巧合。)




来自星星的你(和黑洞)

黑洞听起来感觉很玄乎,其实简单来说就是星星们的“残骸”。虽然2019年那张照片的黑洞看起来像个甜甜圈,但其实黑洞的生成过程更像是个“咸煎饼”。既然说黑洞是星星们的坟墓,那么要了解黑洞就绕不过我来唠叨一下到底什么是星星了。

宇宙初期原是空无一物,主要成分也就只有氢气和氦气而已。但是由于引力(就是地心引力的引力),这些简单的气体会慢慢聚集起来。这时候如果没有相对应的抗力,万事万物就会因互相吸引而无止境的坍塌。这个过程会一直持续到星星的形成。而星星的形成,就是当气体坍塌到了一定的程度时,气体在压缩中被诱发了“核聚变”。

核聚变是物理过程。在这过程中,小的元素会“合并”形成大的元素,就像买了一包棉花糖,我们可以取出多个棉花糖揉成任意的大小。

这里重点来了,这个“揉”的过程常常会“掉渣”,而这些星星丢失部分的质量就会转换成能量。这也是爱因斯坦那出名的方程E=mc^2,简单来说,就是星星在揉“氢气”的过程中“卖掉”了一点质量,然后“兑现”了一些新能量。而这新能量也是为什么星星们(比如说太阳)之所以能发光的原因,同时这能量也暂停了星星自身气体的坍塌。这就像把咸煎饼的面团丢到油里去炸,由于额外的热量,所以咸煎饼会发胖发胀。

当然了,星星能进行核聚变的原料是有限的。当能源耗尽“熄火”后,咸煎饼再也没有能量去抵御引力的诱惑,星星内的气体就会继续坍塌。而这结局有两个。质量较小的星星,本身的一些内在潜能其实还是可以hold得住的,这些星星就成为了所谓的白矮星。白矮星就像把木材烧完后的灰烬,这些灰烬会在持续很长的一段时间里继续在宇宙中发出微弱的光芒,直到余温慢慢褪去。但是一些质量较大的星星在熄火后是完全hold不住的。

星星引爆的结果是镜像

在极速的坍塌下,这些星星被引爆了。爆炸中星星们挤出了之前通过核聚变生成的元素(大棉花糖),且在这爆炸的高热中也加工生成了其他的元素。这就像咸煎饼在被挤压下,馅料被挤得到处都是。这就包含了我们呼吸的氧和地球组成的主要成分,比如镁(magnesium)、硅(silicon)等等。同时星星的核心则坍塌成了黑洞(有的也成了“中子星”,不过这里就不细分了)。星星引爆的结果是一个镜像,往内一面是无底的黑洞深渊,但是往外的一面却促成了一个更绚丽和终于拥有不同元素的宇宙,这些元素一部分后来就形成了地球。肯定的是,你、我和黑洞都是星星的孩子。而我们之所以研究黑洞其实也是在研究我们地球上的元素,乃至我们本身,到底从何而来,而我们将往哪里去。

黑洞的研究和展望

既然黑洞不外乎是星星的残骸,就不难估算在银河系里理应有上亿个黑洞。那问题来了:它们都在哪里呢?

黑洞确实是在天体物理中一直让人比较一筹莫展的问题,毕竟黑洞最为人熟知的就是它的引力大到连光都逃不出去。既然黑洞本身不发光,所以是不可能被直接观测的。尽管如此,侧面研究和印证黑洞的方式还是有的。比如说,黑洞在形成后会依然吸积周围(比如说邻近的星星)的气体。而这些气体在被黑洞“吸魂大法”后会被加热到非常高温,并辐射出X-射线,这就是我们研究黑洞的主要途径之一。通过探测X-射线,其实在引力波之前,就早已找到了二十来个黑洞。

这里插个小细节。说了这么多,我们只是聊到了个体星星坍塌成的黑洞,但除了这种不到数十个太阳质量的“恒星黑洞”外,每个星系的中心都有所谓的“超大质量黑洞”, 例如我们银河系中心就有个比太阳重400百万倍的黑洞(其发现就是今年的诺贝尔物理奖其中两个得主得奖的工作)!与其把这种超大质量黑洞想像成是星星的残骸,不如把每个星系的中心都想像成有个大型的“乱葬岗”是比较恰当的比喻(虽然它们的形成还没有定论)。2019年照相拍到的是黑洞“乱葬岗”(约数十亿倍太阳的质量),而2015年引力波探测到的是黑洞“残骸”(30倍太阳质量),不能混为一谈。简单的说 2017 年诺贝尔物理学奖颁给了小黑洞,今年的诺贝尔奖颁给了大黑洞。

黑洞有星星“粉丝”

比起恒星黑洞,超大质量黑洞是比较好观测的。所以对于它们的研究在这二三十年一直都是如火如荼,但是与之不同的是恒星黑洞的研究才刚刚起步。除了文章开头说到的引力波,我们上几期聊到的那个能同时追踪数十亿颗星星的Gaia探测器,也将产生巨大作用。虽然黑洞自己不发光,但往往有一些普通的星星“粉丝”伴随它们。这有点像是在一个不开灯的探戈舞会里,只要其中一个舞伴是荧光的,即使另一个舞伴一身漆黑,我们也可以通过荧光舞伴的舞步英姿得知另一个人的存在。而伴随着对于引力波的探索和对于银河系大量星星的监控,恒星黑洞终于拉开帷幕,估计未来10年还会不断刷屏,习惯就好。(作者再注:真是说时迟那时快,小伙伴们的脸书估计要被今年诺贝尔物理学奖刷屏了。)

最后要说的是,不说你不知道,一说可能就要吓一跳了。很多天文数据是完全公开的,Gaia在往后几年也会把那数亿颗星星的具体“舞步”完全对外公开,意思是只要你有足够的物理知识,在家上网也可以找黑洞。

研究天体有用吗?

现在又到本专栏固有的闷骚环节。常常有人问我:“天体研究有用吗?”这问题我确实答不上来(注:就是拿诺贝尔拿到手软),不过我觉得其他事情其实也挺没用的。宇宙形成之初本来空无一物,而结局也会是如此。在遥远的未来,当所有宇宙的能源都被耗尽后,剩下的就是无数黑洞和一些烛火残存的白矮星。而那又有谁能定义何为有用呢?也许人类唯一能做的就是《三体》的那句“给岁月以文明”吧。


作者简介:丁源森是吉隆坡中华独中毕业生,2017年从美国哈佛大学毕业,2018年获得美国NASA哈勃奖学金,现于美国普林斯顿高等研究院(IAS)研究天体物理。

本文英文版链接:Black holes and souffles



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作者 : 丁源森(寄自美国)
文章来源 : 星洲日报 2020-10-16
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