黑洞是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体”。——广义相对论
今天我们说下关于黑洞的问题,不知道你有没有想过,一个黑洞是什么形状的,或者是什么样子的?关于黑洞的样子,我们更多是在网上看到的二维图像,就像下图那样!但是如果我们从黑洞的前面看、后面看,以及侧面看,从所有的角度看,它都是一个样吗?
从提出黑洞到发现确认
黑洞是宇宙中的一个奇异天体,最初是人们根据引力的作用方式,也就是天体的逃逸速度提出来的。早在1784年(这个时期的中国是乾隆49年),英国的约翰·米歇尔就意识到,如果有一个体积足够小、质量足够高的物体,那么它的逃逸速度(从其表面逃逸并进入轨道甚至更远所需的速度)将会超过光速。正如我们现在所知,没有任何物体的运动速度能够超过真空中的光速,这就意味着这样的物体将是一个吞噬任何东西的“陷阱”,只要一个物体包括光在内足够靠近这样的天体,就会被永远的吞噬。
自从人们提出这些物体在理论上可能存在以来,我们在宇宙中也发现了只有在黑洞存在的情况下才能解释的现象。
银河系中心的超大质量黑洞就是一个很好的例子。通过观察银河系中心这些大质量恒星的运动,我们发现它们都绕着通过的质心运行,并且这个中心天体并不发光。唯一符合条件的就是黑洞。
因此,黑洞是一个完全由引力控制的空间区域。引力在各个方向上的作用都是一样的,这意味着黑洞会把所有方向上的东西都拉向一个共同的中心点。我们可以通过观察太阳得到一些启发,太阳基本上就是一团气体,被万有引力不可抗拒地压缩成一个几乎完美的球体。
因此黑洞也应该是个球体,甚至是宇宙中最完美的球形物体之一。紧随其后的是中子星,它们的密度比黑洞略低,虽然光会被中子星严重扭曲,但仍然能够逃逸中子星的引力场。
一颗孤立的黑洞是什么样的?
黑洞是球体,原则上就没有所谓的上、下或侧面。如果一个黑洞在宇宙中是完全孤立的(也就是说在黑洞的周围没有任何物质、天体,不会发生吸积并产生吸积盘和物质喷流),无论我们朝哪个方向看,看到的黑洞都像一个漆黑的圆环,并且周围环绕着一圈光,而这圈光是来自黑洞后面的发光天体所发出的光线。
当然,背景光线一旦进入黑洞,就再也无法逃离,但周围的光线在视界面处会走一条弯曲的路径绕过黑洞,就像想上下图中看到的透镜现象。在这种情况下(如果黑洞是孤立的)我们能看到的唯一变化就是背景光线的变化。黑洞后面的发光天体越多,光环就会越亮。如果我们碰巧看到的黑洞,在它的后面没有任何东西,那么这个光环就会变得更暗,或者消失。
存在伴星的黑洞是什么样的?
宇宙中的黑洞很少是完全孤立的。如果它们生前是双星系统的一部分,其中一颗恒星比另一颗质量更大,那么在另一颗恒星燃烧完它的燃料之前,较大的那颗恒星就会坍缩形成黑洞。双星系统的黑洞会不断地掠夺另一颗恒星表面的气体,把这些气体拉向自己。加之黑洞本身在旋转,因为形成黑洞地恒星肯定在自转,根据角动量守恒,恒星坍缩成黑洞以后,由于体积的积聚缩小,黑洞旋转地速度会更快,那么另外一颗恒星的气体被黑洞吸积以后,会在黑洞的视界面外形成了一个高速旋转地物质圆盘,称为吸积盘。
现在,由于吸积盘的存在,我们就有了一个观察黑洞的方向。在上图中如果我们从上面往下看,就会看到一个黑洞,加上环绕黑洞的发光的气体盘。或者很有可能会直接看到一股过热的物质从黑洞中心喷射而出,我们称之为物质喷流。
黑洞周围发光的吸积盘。黑洞的部分被吸积盘所遮挡。
双黑洞环绕看起来是什么样的?
在另外两种情况下,我们会在黑洞周围看到一些奇怪的现象,这会让黑洞看起来格外的怪异。第一种是当两个黑洞相互环绕时,光在这两种极端现象周围发生扭曲的方式非常不可思议,如果此时两颗黑洞的排列正好与我们的视线成一条直线,那么我们会在前面这颗黑洞的旁边看到后面那颗黑洞的“投影”,我们称之为“黑洞眉毛”。
上图显示了如果两个黑洞相邻,光会沿着上图中的线发生弯曲。右边的(也是后面的)黑洞以一个半月形的“眉毛”在另一个黑洞旁边出现。
如果两个黑洞的轨道足够近,我们不仅可以得到上图中的视觉效果,而且最终两个黑洞会在环绕的过程中逐渐失去轨道能量合并在一起。在融合的那一刻,黑洞就会变成一个单一的物体。但新形成的黑洞一开始并不是一个圆形区域。
当两个黑洞合并成一个物体的瞬间,虽然它们相互连接,但黑洞不再保持球形。
新形成的更大质量的黑洞会随着时间的推移逐渐变成完美的球形,但必须经历一个相当长的过程,即所谓的“铃宕”过程(ring-down),才能衰变回一个完美的球形物体。其实这跟敲大钟一样,大钟被敲击以后在很长的一段时间内仍在振动,声音会从高到低缓慢的降低。黑洞的合并也是如此,在两个黑洞相撞以后,它们会持续振荡很长一段时间,以引力波的形式向太空逐渐辐射能量,直到它们回到开始时稳定的球形状态,也是最低的能量状态。看下图:
总结
综上所述:如果我们在宇宙中发现一个孤立的黑洞漂浮在黑暗的空间中,它看起来就像一个完美的黑色球体,周围可能会环绕着一圈背景光线。如果我们发现一颗黑洞附近有一颗伴星,那么这个黑洞会被一个炽热的气体圆盘遮住一部分,还会看到黑洞中心发出的物质喷流。如果我们发现两个黑洞相互环绕,就会看到上图中的“黑洞眉毛”和振荡的空间 。这就是我们所知黑洞的样子!