黑洞与暗物质都看不见,是不是一码事?有什么区别?

这是一个常见的认识误区。其实黑洞和暗物质是完全不同性质的两个事物,它们从来源、生成条件、表现方式、作用机制都是不一样的。下面我们就一起来讨论和认识一下这两个事物。

一些人头脑中,认为黑洞很“黑”,因此看不见;暗物质很“暗”,也是看不见。既然这样,它们不就是一回事了?看不见似乎成了暗物质和黑洞的一个共同特点。

这是一个常见的认识误区。其实黑洞和暗物质是完全不同性质的两个事物,它们从来源、生成条件、表现方式、作用机制都是不一样的。下面我们就一起来讨论和认识一下这两个事物。

先说说黑洞形成的条件。

黑洞是巨大质量的天体,在自身极端的引力压力下,物质无法支撑可见的存在形态,被压缩成比基本粒子还小,最后成为无形质量,并无限坍缩到核心那个无限小奇点上。奇点具有“四个无限”性质,即体积无限小、密度无限大、温度无限高、曲率无限大。

黑洞的解是著名的物理学家、天文学家卡尔·史瓦西在1916年发现的,他在爱因斯坦刚发表的广义相对论场论基础上,得到了一个重力场的精确解,即任何具有质量的物体,都有自己的史瓦西半径,这是一个球状对称空间。

史瓦西半径的计算公式为:R=2MG/c^2。R就是史瓦西半径,M为物体质量,G为引力常量,c为光速。这个公式的含义是,不管这个物体有多大,一旦被巨大力量压缩到自己质量的史瓦西半径以内,就会成为一个黑洞,中心是具有“四个无限”特点的奇点,奇点周围会形成一个以史瓦西半径为界的球形空间,这个空间有无限曲率,任何物质进入这个范围都会被吃掉,消弭于无形的奇点里,光也无法逃逸。

这个球形的史瓦西半径有多大呢?太阳质量为1.9891*10^30kg,根据公式计算其史瓦西半径约3000m(米);地球质量为5.965*10^24kg,史瓦西半径只有约9mm(毫米)。就是太阳这个半径约70万km的球,如果被压缩到只有3km半径这么大,地球这个半径6371km的球,压缩到半径9mm这么大,就会成为一个黑洞。

质量再小的原子、质子、中子、电子,都有史瓦西半径,理论上,把它们压缩进自己的史瓦西半径里,都会变成一个微型黑洞。但目前人类发现的黑洞,都是在自然条件下形成的,而且都是大质量天体形成的,最小质量的黑洞约为太阳质量的3倍。

既然黑洞是“黑的”,为啥还能发现呢?

黑洞的“黑”不是我们通常认为那种“伸手不见五指”的黑,而是完全“没有”的黑,就像不存在一样,因为光都被它“吃了”。既然如此,为什么还能够被科学家发现呢?这是因为黑洞虽然隐形了,但其自身“气场”太大了,实体隐形了,但“气场”隐不了。

这个“气场”就是黑洞的电荷、质量、角动量。根据爱因斯坦场论,质量会导致时空弯曲,也就是形成引力,黑洞不见了,但它巨大的引力依然存在于宇宙空间,由于黑洞体积很小,靠近黑洞的天体或任何物质,都会被其强大的引力所捕获,渐渐吃掉。

这样就会在黑洞周围形成一个吸积盘,所有天体物质都被黑洞的角动量带着旋转,越靠近的物质旋转就越快,在黑洞史瓦西半径的交界处,旋转速度甚至接近光速。物质在这种极速的碰撞中,迸发出巨大的能量,发出耀眼的光芒,不但发出可见光,还会迸发出能量射线,如紫外线、X射线、γ射线等,这些可见光和不可见光都会被望远镜和相应的科学仪器所捕捉,因此黑洞就现形了。

黑洞巨大引力的存在,还会对周边的天体造成扰动,通过观测周边天体奇怪的运行轨迹,即便没有吸积盘的黑洞,也会被发现。如距离我们只有1000光年的HR 6819三星系统(上图),就是通过两颗运行轨迹奇异的恒星发现的。这两颗恒星围绕着一个看不见空间绕着圈子,经过长期观测计算,科学家最终得出结论,中间是一颗具有4倍太阳质量的黑洞牵扯着这“两兄弟”。

再来说说暗物质。

最早提出暗物质可能存在的是荷兰物理学家雅各布斯·卡普坦。科学家们通过大量的天文观测,发现大尺度天体运动似乎是违反了牛顿万有引力定律,比如星系团的星系质量总和,产生的引力根本无法束缚这些星系形成一个这样的星系团,按照万有引力定律,这些星系将会四分五裂一盘散沙。

是什么力量让这些星系维持着一个有序的抱团状态呢?是牛顿错了呢,还是这个世界还存在看不见没发现的东西?经过大量的观测研究,科学家们倾向于牛顿没错,还是有些东西没被发现,或者说无法观测,人们就把这种观测不到的物质命名为“暗物质”。

经过测算,这种暗物质占宇宙全部物质总量的85%,也就是说,我们宇宙中可以看见的物质只占5%,看不见的物质占85%。只有这样,才能够符合牛顿万有引力定律。现在,科学界精确计算出宇宙总质能包括68.3%的暗能量,26.8%的暗物质,4.9%的可见物质。

通过对宇宙各个方向的星系团观测计算表明,只要将暗能量比例代入计算,牛顿的万有引力定律又回来了,准确了。由此可以认为,牛顿没有错。在这广袤的宇宙空间,的的确确存在着一种神秘物质,不但不被我们的视网膜所感知,对迄今为止的任何射电射线望远镜和科学仪器都不感知。

暗物质存在的间接证据。

既然人类目前无法通过任何仪器找到“暗物质”,有哪些证据证明暗物质存在呢?

暗物质最主要的作用,还是质量和引力。在我们看不见的空间,到处都存在着暗物质,这些暗物质具有质量,而引力是质量的基本属性,凡有质量的东西都具有引力,因此暗物质的引力无处不在。正是暗物质作用,才使各种天体能够形成,并且能够聚集成团,以致形成整个宇宙大尺度结构。可以说没有暗物质,就没有今天的宇宙,也没有你我的存在。

由于暗物质不参与电磁相互作用,而且与光子相互作用也非常微弱,因此暗物质不发光,我们无法看到;暗物质也不参与强相互作用,否则宇宙最开始核子的合成就会受到扰动,现在的宇宙元素组成就不会是这个样子了。

很可能在宇宙大爆发不久,暗物质就存在了,100多亿年来一直影响着宇宙的形成和演化,因此暗物质存在是稳定的。通过计算机建模模拟,暗物质的运动速度远远低于光速,否则宇宙无法在引力作用下形成如今的大尺度结构,因此暗物质又被称为“冷暗物质”。

这些暗物质存在的证据,都是间接得出的,至今人们并没有观测到暗物质到底是什么样子,有多大和什么样的结构。

暗物质的蛛丝马迹。

曾经有人认为中微子是暗物质,事实上中微子也有诸多性质和暗物质差不多,比如,都无法被直接观测到。但中微子有两点与“冷暗物质”不同,其一就是其以接近光速运行,因此被称为“热暗物质”;其二,中微子整体质量远远不足以支撑整个宇宙的引力,只占宇宙总量的约0.0034%。

现在,人们在千米深的地底下建造了很多设施,也发射了许多探测器和卫星,还在大型对撞机里面做了很多实验,通过这种立体方式布下天罗地网,企图找到暗物质的蛛丝马迹,但迄今为止还几乎没找到一例直接证据,这个“幽灵”到底啥模样,能否揭开还是个未知数。

现在,我们可以看看黑洞和暗物质有哪些不同。

首先,它们存在的形式是不一样的。黑洞一般是局部存在的形式,是单个的天体,影响范围只是一个区域;暗物质是弥漫性存在的,遍布宇宙每一个角落,影响范围是大尺度天体结构,在单个天体系统无法测量其存在。

其次,它们的隐身方法是不一样的。黑洞只是隐藏在某一个角落,但掩盖不住自己的“气场”,对周围天体物质会产生可观测的影响,甚至轰轰烈烈的吞噬,因此较容易被发现;暗物质的影响是大尺度难以确定范围的,而且是铺天盖地润物细无声的渗透,小尺度上可以忽略不计,但在整个宇宙,所有可见物质都无法逃脱其控制。

因此,这两种存在,一个是微观,一个是宏观。虽然都可以间接观测,但对黑洞的观测是可以形象看得见的观测,而对暗物质是只可意会,不可言传,主要是通过数理建模,逻辑运算得出的结果。

通过这个分析,大家应该明白了黑洞和暗物质的区别吧,不会再认为黑洞就是暗物质了吧?如能够为你解惑,是时空通讯莫大的荣幸。

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