垂死恆星的命運:黑洞的理論發現

垂死恆星的命運:黑洞的理論發現

1930年,一個名叫蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)的20歲的印度學生從馬德拉斯到英國繼續他的天體物理學研究。在旅程中,他用方程描述恆星的穩定性。從這個數學方程的幾行字中,有了一個重大的發現出現了。

當時的天文學家對恆星運行的原因只有一個粗略的瞭解。他們知道恆星是一團熾熱的氣體,參與了宇宙的平衡行動。氣體試圖擴展到周圍空間的真空中,但引力阻止了它。在像太陽這樣的恆星中,平衡是可以實現的,但前提是氣體燃燒燃料來產生熱量,我們現在知道,熱量是由核心的核反應產生的。

然而,當燃料耗盡時會發生什麼這一問題還存在不確定性。似乎引力將不可避免地佔據上風,導致恆星收縮,半徑越小,表面引力就越大。天文學家很早就熟悉被稱為白矮星的微小恆星,它們的質量相當於太陽,但擠成了與地球大致相當的體積。這些燃燒殆盡的恆星殘餘物密度如此之大,以至於它們的原子被緊緊地壓在一起。進一步的壓縮將意味著原子本身將被壓碎,因為量子物理定律,這一點最初被認為是不可能的。

從他的計算中,錢德拉塞卡發現了另一種情況。這些方程式表明,如果恆星有足夠大的質量,其巨大引力的擠壓效應將導致原子電子接近光速,使恆星物質變得更軟,並預示著恆星的進一步引力崩潰。在沒有任何其他因素的情況下,物質球就會完全內爆,消失在它自己的引力井中,形成一個今天我們稱之為黑洞的物體。但在20世紀30年代初,這樣一個對象被認為過於古怪而不值得認真對待。

垂死恆星的命運:黑洞的理論發現

錢德拉塞卡能夠計算出這種引力不穩定的臨界質量。他得到的答案是1.44個太陽質量,現在被稱為錢德拉塞卡極限。當他到達英格蘭時,他宣佈了他的結果,結果卻發現這一結果被作為無稽之談而被駁回。1935年,當時最傑出的天文學家阿瑟·愛丁頓爵士在皇家天文學會中公開嘲笑錢德拉塞卡,宣稱應該有一條自然規律,“以防止恆星以這種荒謬的方式運行!”

然而,歷史證明愛丁頓錯了。如果一顆被燒燬的恆星的質量超過了錢德拉塞卡的極限,它確實會崩潰。一種可能的命運是形成一顆所謂的中子星,在中子星中,原子被壓碎成中子,物體的半徑穩定在悉尼(澳大利亞城市)的大小。中子星發現於20世紀60年代,今天形成了天文學的一個重要分支。它們中的大多數質量都離錢德拉塞卡的極限不遠。更多的大質量恆星以完全崩潰來結束它們的生命。當它們縮小到幾公里寬時,它們的引力是如此之大,以至於連光都逃不出去,結果就產生了黑洞。

雖然黑洞的概念花了幾十年才被完全理解和接受,但自從1915年阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)首次發表他的廣義相對論以來,黑洞的基本概念就一直隱藏在人們的視線中。錢德拉塞卡在1983年的諾貝爾獎演講中承認了這一點,他寫道:“這一重要的結果隱含在卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)於1916年發表的一篇基礎論文中。”儘管黑洞的理論可能性在愛因斯坦的理論中一直是固有的,但錢德拉塞卡的年輕天才證明了這樣一個物體可能是由一顆垂死的恆星轉變而來的。

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到獲得諾貝爾之時,黑洞的存在已成為確鑿的事實,蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡的計算充分證明了這一點。然而,他被愛丁頓的嘲笑深深刺痛,1937年他決定離開英國,定居在美國。他在美國度過了輝煌的職業生涯,直到1995年去世。

錢德拉塞卡死後留下了一個令人著迷的問題。在中子星和黑洞之間可能存在一箇中間態嗎?這將是一個超過1.44太陽質量的物體,它太重了,不能形成中子星,但由於一種奇異的超密物質形式(如夸克湯 - 質子和中子的成分)而阻止了它的完全崩塌。到目前為止,還沒有人發現夸克星,但這一概念仍然是一種理論上的可能性,也許等待另一位有洞察力的學生天才的關注,以解決這一問題。


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