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科学家无意间造出分子黑洞,和天体黑洞行为相似

更新:2017-06-02 10:52

科学家无意间造出分子黑洞,和天体黑洞行为相似

  黑洞大家都耳熟能详,分子黑洞则语焉不详。顾名思义,分子黑洞就是分子内的黑洞,这是美国堪萨斯州立大学的一个科学家团队新近提出来的概念。该大学的物理学家丹尼尔·罗勒斯和阿蒂姆·拉登科领导了一个国际合作项目,在加利福尼亚州门洛帕克SLAC国家加速器实验室用高强度X射线进行科学实验。

  最近他们用世界上最强大的X射线激光照射一个小分子,却发生了一件匪夷所思的奇怪事情,使分子黑洞这个概念跃出纸面。研究人员使用一系列镜子将X射线聚焦到直径约100纳米的点上,产生了非常强大的能量,实在让人很难想象——即使把太阳照射到地球上的所有光线都聚焦到一个拇指指甲大小的地方,其单位面积的能量强度也仅有这个能量的百分之一。

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  科学家们用这种强大的激光脉冲照射碘甲烷(CH3I)和碘苯(C6H5I)分子,正如此前所料,X射线首先从碘原子的内层剥离电子,然后外层电子像弹珠一样,从外层轨道被拉进内层,由X射线脉冲继续喷射出去。令人惊讶的是,强劲的X射线不仅夺取了碘原子的电子,还继续把周围附着的甲基(碳和氢)上的电子夺走,暴力地喷射出去。这是科学家们此前从未看到过的现象,X射线在原子内部产生了大量的电荷,吸收周围的一切,这和宇宙中黑洞消耗恒星的行为如出一辙,施加在电子上的力比10倍太阳质量的天体物理黑洞周围物质受到的力还大得多。科学家们因而相信,他们在无意间制造出了分子黑洞,当然,天体物理黑洞产生的是强大的引力,而分子黑洞本质上是电化学的。

科学家无意间造出分子黑洞,和天体黑洞行为相似

  一些读者看到这里,心里可能已经有一万只鼓在敲打了:分子黑洞会不会吸收周围的物质变得越来越大,最后把我们地球都吞噬了?当然不会,前文已经说了,这个“黑洞”是电化学性质的,没有引力,不可能吞噬我们的地球。另外它存在的时间也极短,不到30飞秒(千万亿分之一秒),整个分子就被强大的X射线摧毁了,如果要把它比喻成一瞬间都漫长得不可思议:一飞秒放大到一秒的话,一秒钟就相当于3200万年了。

  这项研究5月31日发表在自然杂志上,可以让我们更好地了解x射线激光的分子效应,未来或可用于研究蛋白质、病毒和其他微小物质的结构,只是还有一个巨大的问题需要解决,使用这种技术的时候,我们如何避免分子黑洞摧毁周围的一切?

黑洞的视界究竟是什么样的?

  有没有人想过这样一个问题,假如黑洞表面是“硬”的,是一种实体,那么拥有强大引力的它,在吞食夜空中的繁星之时,又会发生什么样的事情呢?

科学家无意间造出分子黑洞,和天体黑洞行为相似

  爱因斯坦的相对论告诉我们,黑洞形成之时,所有的质量都会挤进一个体积无限小的奇点里。拥有无限高密度的奇点,产生了一个极为强大的引力场,在它的周围,制造出一个连光线也无法逃离的势力范围。这个范围的边界就是所谓的视界,也有人叫它事件地平(Event Horizon)。

  人们通常认为,视界只是一个虚拟的边界。物体可以穿越它,只是穿越了它之后,由于它身上发出的所有光都无法越过视界,只能向着同一个方向——奇点飞行,因此视界之外的人就再也看不到它了。视界是个只进不出的边界。

  但事实上,没人真正见到过视界。黑洞的中心究竟是不是奇点,也是不确定的。因为这是个数学推论,在现实物理世界中,很难想像会存在这样的东西。而且视界以内,奇点以外,又是个什么样的世界?也没有人知道。

  要通过实验,来确认视界的特性,了解它究竟是个什么样的东西,科学家到目前为止还没有什么直接的好办法。谁也不知道黑洞中心到底有没有奇点,也许那里的物质还有体积,并未完全塌缩。如果是这样,那么视界是什么,就又要另当别论了。

  不过美国德州大学的Pawan Kumar和他的研究生Wenbin Lu,以及哈佛史密森天体物理学研究中心的Ramesh Narayan想到了一个有趣的方法,可以测定恒星如果和极端大质量天体,比如黑洞相遇时会发生什么。并进一步让我们了解视界究竟是什么。

  Kumar等人认为,假如黑洞——比如银河系中心的超大质量天体并不是黑洞,而是拥有体积,那么它的视界就不再是虚拟的了,它的性状可能会近似于固体表面。如果是这样,那么假如有恒星和它发生碰撞,那么恒星携带的气体就会在坠落的过程中发光,进而产生可供观测的效应,这些发光气体还会把“黑洞”包裹起来,持续几个月甚至几年时间。

  基于这个灵感,这些研究人员使用夏威夷1.8米泛星(Pan-STARRS)天文望远镜进行了为期三年半的观测。通过计算邻近宇宙黑洞的密度,以及恒星坠入超大质量黑洞的概率,他们能够获知在这三年半时间内,可能发生过多少次这样的事件。假如他们能够观测到10次以上的发光事件,那么就可以证明视界是个实体,是“硬”的,而不是一个虚拟的边界;假如没有,那么相对论就是正确的,这些恒星应该是穿越了视界并从我们的视野中消失。

  做这个实验的目的,主要还是因为当前的望远镜精度不够,无法对黑洞的视界特性进行直接观测。而这次实验并非为了证明视界是个实在的东西,只是想推进认知的前沿,为获得黑洞周围存在视界的确凿观测证据作一种试探。

  前段时间广受关注的“视界望远镜”计划,已经在四月份对一个中心存在超大质量黑洞的一片区域完成了首次联合观测。如果一切顺利,那么不久我们可能就将获得首张黑洞视界的照片。但当前,其所获的数据仍在处理和评估中。

  而Kumar等人的实验结果是可想而知的,他们“一无所获”,没有观测到一例假想中的闪光。他们把观测结果写成论文,发表在了《英国皇家天文学会每月通讯》上。这次实验的“失败”,对相对论来说却是个好消息。它表明人们对于黑洞的原有理解仍然可信,每个黑洞周围都存在着视界,一切跨越它的物质都会从我们这个可观测宇宙中消失。黑洞确实是一种奇异的天体。

  由此我们也可以体会到,科学是一种讲究实证的学问。在没有证据(包括观测证据)之前,一切理论,即使多么合理,都只是假设。

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