宇宙黑洞_宇宙黑洞里面有什么

UFO爱好者

深入解析宇宙黑洞

在星系NGC 4261的黑洞核心想象图
你可能听人说过，“我的桌子变成了一个黑洞！”你可能在电视上看过天文学节目，或者在杂志上读过关于黑洞的文章。自从1915年爱因斯坦的广义相对论预言了这些奇异的物体之后，我们就对它们产生了浓厚的兴趣。
黑洞是什么？他们真的存在吗？我们怎样才能找到它们呢？在本文中，我们将研究黑洞并回答所有这些问题！
黑洞是什么？

黑洞的艺术想象图：箭头显示黑洞开口内和开口周围的物体运动路径
当一颗大质量的恒星死去时，剩下的就是黑洞。
你如果知道恒星是如何工作的，那么你肯定知道明亮的恒星是一个巨大的，令人惊异的聚变反应堆。因为恒星是如此巨大并由气体组成，所以有一个强烈的引力场总是试图坍缩恒星。在核心发生的聚变反应就像一颗巨大的聚变炸弹，试图引爆恒星。引力和爆炸力之间的平衡决定了恒星的大小。
随着恒星的死亡，核聚变反应停止，因为这些反应的燃料被烧掉了。与此同时，恒星的引力将物质吸入并压缩核心。当核心压缩时，它会升温，最终产生超新星爆炸，物质和辐射会爆炸到太空中。剩下的是高度压缩的、极其巨大的内核。内核的引力非常大，连光都无法逃脱。
这个物体现在就是一个黑洞，它会从我们视野中消失。由于内核的引力非常强大，所以就会在时空结构中下沉，在时空中形成一个洞——这就是为什么这个物体被称为黑洞。
核心变成了黑洞的中心部分，称为奇异点。这个洞的开口叫做视界。
你可以把视界想象成黑洞的入口。一旦某物越过视界，它就永远消失了。一旦进入视界，所有的“事件”(时空中的点)停止，没有任何东西(甚至是光)可以逃脱。视界的半径被称为史瓦西半径，以天文学家卡尔·史瓦西命名，他的工作导致了黑洞理论。
黑洞的类型有哪些？

克尔黑洞结构
黑洞有两种类型：
史瓦西黑洞——非旋转黑洞克尔黑洞——旋转黑洞史瓦西黑洞是最简单的黑洞，核心不旋转。这种类型的黑洞只有一个奇异点和一个视界。
克尔黑洞可能是自然界中最常见的形式，它之所以旋转是因为形成它的恒星是旋转的。当旋转的恒星坍缩时，核心继续旋转，并将其带入黑洞(角动量守恒)。克尔黑洞有以下几个部分：
奇点——坍塌的岩心。视界——洞的开口能层——视界周围扭曲空间的蛋形区域（扭曲是由黑洞旋转引起的，黑洞旋转会“拖曳”周围的空间）。静力极限——二球体与正常空间之间的边界。如果一个物体进入能层，它仍然可以通过从黑洞的旋转中获得能量而从黑洞中喷射出来。
然而，如果一个物体穿过视界，它就会被吸入黑洞而永远无法逃脱。黑洞内部发生了什么是未知的；即使我们目前的物理理论也不适用于奇点附近。
虽然我们看不到黑洞，但它确实有三种属性可以或可以测量：
质量电荷旋转速度(角动量)到目前为止，我们只能通过其他物体在黑洞周围的运动来可靠地测量黑洞的质量。如果一个黑洞有一个伴星(另一颗恒星或物质的圆盘)，它就有可能测量这个看不见的黑洞周围物质的旋转半径或轨道速度。黑洞的质量可以用开普勒修正的行星运动或旋转运动的第三定律来计算。
我们如何探测黑洞

哈勃太空望远镜观测的星系NGC 4261的核心
虽然我们看不到黑洞，但我们可以通过测量黑洞对周围物体的影响来探测或猜测黑洞的存在。可以使用以下效应：
来自黑洞或螺旋进入核心的物体的质量估计引力透镜效应发出辐射质量
许多黑洞周围都有物体，通过观察物体的行为，你可以发现黑洞的存在。然后，你利用对可疑黑洞周围物体运动的测量来计算黑洞的质量。
你要找的是一颗恒星或一盘气体，它的行为就好像附近有一个巨大的质量。例如，如果一个可见的恒星或盘状的气体“摇摆不定”运动或旋转，没有明显导致这种运动的原因或者有看不见的东西施加了影响，似乎是由一个物体的质量大于三个太阳质量中子星(太大)，那么有可能是黑洞是导致运动。然后通过观察黑洞对可见物体的影响来估计黑洞的质量。
例如，在NGC 4261星系的核心，有一个棕色的螺旋状圆盘正在旋转。这个圆盘和我们的太阳系差不多大，但重量是太阳的12亿倍。对于一个圆盘来说，如此巨大的质量可能表明圆盘中存在一个黑洞。
引力透镜
爱因斯坦的广义相对论预言重力可以弯曲空间。这一点后来在日食期间得到证实，当时是在日食发生前、期间和之后测量恒星的位置。由于太阳的引力使恒星发出的光弯曲，所以恒星的位置发生了变化。因此，一个在地球和一个遥远的物体之间有着巨大重力的物体(像一个星系或黑洞)可以将来自遥远物体的光弯曲成一个焦点，就像透镜一样。这种效果可以在下面的图片中看到。

这些图片显示了MACHO-96-BL5从地面望远镜(左)和哈勃太空望远镜(右)上的亮度
在上图中，MACHO-96-BL5的亮度在重力透镜从它和地球之间经过时开始变亮。当哈勃太空望远镜观察这个物体时，它看到两个物体的图像靠在一起，这表明存在引力透镜效应。中间的物体是看不见的。因此，我们得出的结论是，在地球和物体之间存在着一个黑洞。
发出辐射

双星系统中黑洞的示意图，显示了黑洞周围的吸积盘和x射线的发射
当物质从伴星落入黑洞时，它会被加热到数百万开尔文并加速。这些过热的材料发出x射线，x射线望远镜可以探测到这些x射线，如钱德拉x射线轨道天文台。
天鹅座X-1是一个强x射线源，被认为是一个黑洞的好候选者。如上图所示，来自伴星HDE 226868的恒星风将物质吹到黑洞周围的吸积盘上。当这种物质落入黑洞时，它会释放x射线，如图所示:

从钱德拉x射线天文台轨道拍摄的天鹅座X-1的x射线图像
除了x射线，黑洞还可以高速喷射物质形成喷射流。许多星系都被这样的喷流观测到。目前，人们认为这些星系的中心有超大质量的黑洞(数十亿的太阳质量)产生喷射和强烈的无线电发射。一个这样的例子是M87星系，如下所示:

活动星系核的示意图，其中心有一个特大质量黑洞

重要的是要记住，黑洞不是宇宙真空吸尘器——它们不会吞噬一切。因此，虽然我们看不到黑洞，但有间接证据表明它们存在。它们与时间旅行和虫洞有关，在宇宙中仍然是迷人的物体。
关注《未来科技社》，我们一起眺望未来！这视频能刷新你三观，太阳系运行的最真实还原
物理学中18个最大的未解之谜（上篇）
为什么光速恒定无法超越？或许这就是一个宇宙牢笼
你真正应该知道的10个科学定律和理论
研究证实：我们真的越来越笨
未来的技术：对2050年世界的技术预测
物理学家认为弦理论可能是我们的“万物理论”
《三体》对四维的描述有很大BUG，四维空间远比想象的复杂……
我们所在的宇宙空间实际上是一个黑洞的内部，这是黑洞宇宙模型（black hole cosmology）的观点。目前主流的宇宙学模型是大爆炸理论，此外还有很多非主流的宇宙学模型。黑洞宇宙模型就是其中之一。
1. 为什么宇宙在黑洞内部？
这个问题要从宇宙膨胀开始说起。
我们知道，宇宙在加速膨胀。这里膨胀的含义是，新的空间从每一处空间中产生。它导致的结果是，宇宙中的物体都在相互远离。然而，比较近的物体会被引力或电磁力拉在一起，距离不会增加。空间膨胀的效果，只有在距离十分遥远的星系之间才能看出来。


在上面的例子中，由于空间膨胀，猫-老鼠之间的距离和猫-狗的距离都增加了，但是，猫-狗距离增加明显比猫-老鼠距离增加要大得多。由于空间膨胀的叠加效果，距离越远的物体，它们之间距离增加也越大。也就是说，距离我们越远的物体，远离我们的速度也就越快。
由此我们不难想象，距离我们足够远的星系，远离我们的物体会达到光速。这个距离被称为哈勃半径（Hubble Radius）。而在哈勃半径以外的星系，远离我们的速度超过光速。
在黑洞宇宙模型中，哈勃半径也就是我们宇宙所在黑洞的史瓦西半径。 如果我们把一个物体压缩到史瓦西半径（的球体）以下，这个球体表面的逃逸速度就会达到光速。也就是说，这个球体就成为了一个黑洞。
史瓦西半径的计算公式十分简单：


其中G是万有引力常数，M是物体的质量，c是光速。
那么，如果我们把哈勃半径以内的所有物质压缩成一个黑洞，它的史瓦西半径会有多大呢？如果把已知的宇宙质量（由观测的宇宙密度计算）代入上面的公式，得到的史瓦西半径和哈勃半径十分接近。考虑到观测的精度和误差，可以认为这两个值是相等的。
也就是说，我们所在的宇宙空间，已经是一个黑洞了。
宇宙的密度很低，相当于地球这么大体积内，平均只有一粒沙的质量（。物质如此稀疏的宇宙空间能形成黑洞，可能对很多人来说很不可思议。黑洞给人的印象是往往是密度很大——如果把太阳压缩成一个黑洞，它的史瓦西半径只有3公里，而地球黑洞的史瓦西半径还不到1厘米。
从上面的公式可以看到，史瓦西半径和质量成正比，而物体的半径和质量的立方根成正比（如果密度不变）。
所以，当物体质量增加的时候，史瓦西半径比物体本身的半径增长得快。一个质量很大的物体，它的史瓦西半径会达到甚至超过物体自己的半径。
然而，大多数宇宙学家并不认同这个证据。他们认为，史瓦西半径和哈勃半径十分接近，只是一个巧合。
2. 黑洞内的宇宙
对黑洞的传统认识是，当物体落入黑洞，就会继续向黑洞中心坠落，最后落进黑洞中心的奇点——一个密度无穷大，体积无穷小的点。

但是，这并不是唯一可能存在的黑洞结构。 黑洞强大的引力使得时空极度弯曲，造成了一个与外面隔离的封闭时空。在这样一个封闭的空间中，如果物质大致均匀分布，广义相对论允许它保持一个稳定的内部结构，而不至于坍塌成一个奇点。
那么，在没有外部物质和能量影响的情况下，黑洞宇宙是一个静态宇宙。当黑洞宇宙吸入外部物质时，由于质量增加，它的体积也随之增加，从黑洞宇宙内部来看，表现为宇宙空间的膨胀。
所以，在黑洞宇宙模型中，对宇宙膨胀的解释不需要暗能量的概念。 一个黑洞宇宙通常是从一个恒星级的黑洞开始的。它的内部是一个奇点还是一个婴儿宇宙，对于外部观察者来说都是一样的。当它吸收外部宇宙（母宇宙）的物质和辐射后，就会慢慢长大。
在一个星系中，恒星走到生命尽头时，会变成白矮星，中子星，或者黑洞。最终，它们汇聚在星系中心，形成超过10亿太阳质量的超级黑洞。而这种黑洞的内部，就是像我们的宇宙一样的另一个宇宙。
恒星级黑洞诞生于超新星爆炸，所以它的内部温度极高（高于中子星的温度），但是它并不向外辐射能量。当黑洞宇宙膨胀时，由于能量分散，温度逐渐降低。当一个黑洞宇宙膨胀到我们的宇宙大小时，温度已经下降到3K。这就是我们观察到的微波背景辐射。
黑洞宇宙的膨胀速度取决于吸入物质的数量。我们的宇宙边界膨胀速度达到光速，这意味着它需要每秒吸入10000个太阳质量的物质。
对于一些质量比较小的黑洞（如超新星爆炸留下的恒星级黑洞）来说，它们周围的时空曲率变化很大，物质在进入黑洞时会被撕裂成碎片。而质量很大的黑洞（如星系中心的超级黑洞）被称为“温柔的黑洞”，物质可以完好无损地穿过视界，进入黑洞——来到另一个宇宙。
3. 黑洞宇宙模型
黑洞宇宙模型是一个多层次的等级结构。我们的宇宙在一个更大的宇宙（母宇宙）中；母宇宙中的其他宇宙是我们宇宙的姐妹宇宙；我们宇宙中的黑洞（恒星级黑洞和超级黑洞）都包含子宇宙；

同样，我们的姐妹宇宙中也有它们自己的子宇宙；而母宇宙外面是更大的祖母宇宙。 这个模型一共有多少层取决于整个空间的大小。
如果整个空间是无限大的，那么宇宙层次的数目也是无限的；反之，则是有限的。 在黑洞宇宙膨胀的过程中，可能和姐妹宇宙相遇，从而合并成更大的宇宙。
以上是对黑洞宇宙模型的简单介绍。它是和大爆炸理论不同的另一种宇宙学模型，对于天文观测中的很多现象，如空间膨胀，微波背景辐射，也有不一样的解释。这种理论目前被认为是一种”类宇宙学“（alternative cosmology)，没有得到多数宇宙学家的认同。然而，从20世纪70年代到现在，仍然有部分宇宙学家在从事这个理论的研究。