宇宙中的一切都注定要蒸发 - 霍金的辐射理论并不限于黑洞

宇宙中的一切都注定要蒸发-霍金的辐射理论并不限于黑洞拉德布德大学的MichaelWondrak、WaltervanSuijlekom和HeinoFalcke的新理论研究表明，斯蒂芬-霍金对黑洞的看法是正确的，尽管不是完全正确。霍金辐射理论认为黑洞最终会蒸发，但事件视界并不像人们认为的那样关键。引力和时空的曲率也会导致这种辐射。这意味着，宇宙中的所有大型物体，如恒星的残余物，最终都会蒸发。霍金利用量子物理学和爱因斯坦引力理论的巧妙结合，认为粒子对的自发创造和湮灭必须发生在事件视界附近（超过这个点就无法逃脱黑洞的引力）。一个粒子和它的反粒子从量子场中非常短暂地产生，之后它们立即湮灭。但有时一个粒子落入黑洞，然后另一个粒子可以逃脱，也就是所谓的霍金辐射。根据霍金的说法，这将最终导致黑洞的蒸发。物理学界所提出的施瓦茨柴尔德时空中的引力粒子产生机制示意图。粒子生产事件率在小距离上是最高的，而逃逸概率[由增加的逃逸锥（白色）表示]在大距离上是最高的。资料来源：《物理评论》杂志在这项新的研究中，拉德堡大学的研究人员重新审视了这一过程，并调查了事件视界的存在是否真的至关重要。他们结合了物理学、天文学和数学的技术，研究了如果在黑洞的周围产生这样的粒子对会发生什么。研究表明，新的粒子也可以在远在这个地平线之外被创造出来。迈克尔-翁德拉克"我们证明，除了众所周知的霍金辐射外，还有一种新形式的辐射。"VanSuijlekom："我们表明，在黑洞之外的地方，时空曲率在产生辐射方面发挥了很大的作用。粒子在那里已经被引力场的潮汐力分离。以前人们认为没有事件视界就不可能有辐射，而这项研究表明，这个视界不是必要的。"这意味着没有事件穹界的物体，如死亡恒星的残余物和宇宙中的其他大型物体，也有这种辐射。而且，经过很长一段时间，这将导致宇宙中的一切最终蒸发，就像黑洞一样。这不仅改变了我们对霍金辐射的理解，也改变了我们对宇宙及其未来的看法。这项研究于6月2日发表在美国物理学会（APS）的《物理评论快报》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1363275.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1363275.htm

黑洞与黑暗的启示引力波提供暗物质构成的新线索

黑洞与黑暗的启示引力波提供暗物质构成的新线索从地球向大麦哲伦云观测到的黑洞引起的微透镜事件的艺术家印象图。位于大麦哲伦云的一颗背景恒星的光线被银河系光晕中的一个推定原始黑洞（透镜）弯曲，从地球上观测时被放大。微透镜导致背景恒星的亮度发生极具特征性的变化，从而可以确定透镜的质量和距离。图片来源：J.Skowron/OGLE。大麦哲伦云的背景图像：由KevinLoch使用ESA/Gaia数据库编写的bsrender生成。图片来源：J.Skowron/OGLE。大麦哲伦云的背景图片：由KevinLoch使用ESA/Gaia数据库编写的bsrender生成。研究结果发表在《自然》和《天体物理学杂志增刊系列》上的两篇文章中。这项研究是由华沙大学天文台OGLE（光学引力透镜实验）调查的科学家进行的。各种天文观测表明，我们可以看到或触摸到的普通物质只占宇宙总质量和总能量的5%。在银河系中，恒星中每一磅普通物质就对应15磅"暗物质"，它们不发射任何光，只通过引力相互作用。"暗物质的本质仍然是一个谜。大多数科学家认为它是由未知的基本粒子组成的，"两篇文章的第一作者、华沙大学天文台的PrzemekMróz博士说。"不幸的是，尽管经过数十年的努力，但没有任何实验（包括利用大型强子对撞机进行的实验）发现可能是暗物质的新粒子"。通过银河系光环看到的大质量天体对大麦哲伦云的预期微透镜事件与观测到的微透镜事件的对比。如果宇宙中的暗物质由推定的原始黑洞组成，那么在2001-2020年的OGLE勘测中将会探测到500多个微透镜事件。而实际上，OGLE项目只探测到了13次微光事件，很可能是由普通恒星引起的。图片来源：J.Skowron/OGLE。大麦哲伦云背景图片：由KevinLoch使用ESA/Gaia数据库编写的bsrender生成。图片来源：J.Skowron/OGLE。大麦哲伦云的背景图片：由KevinLoch使用ESA/Gaia数据库编写的bsrender生成。原始黑洞的奥秘和潜力自2015年首次探测到一对黑洞合并产生的引力波以来，LIGO和室女座实验已经探测到90多个此类事件。天文学家注意到，LIGO和室女座探测到的黑洞质量（20-100个太阳质量）通常比银河系中已知的黑洞质量（5-20个太阳质量）大得多。Mróz博士说："解释为什么这两个黑洞群如此不同，是现代天文学最大的谜团之一。"一种可能的解释是，LIGO和室女座探测器发现了可能在宇宙早期形成的原始黑洞群。50多年前，英国著名理论物理学家斯蒂芬-霍金（StephenHawking）首次提出了原始黑洞的存在，苏联物理学家雅科夫-泽尔多维奇（YakovZeldovich）也独立提出了这一观点。"我们知道，早期宇宙并不是理想的均质宇宙--微小的密度波动产生了现在的星系和星系团，"Mróz博士说。"类似的密度波动如果超过临界密度对比，就可能坍缩并形成黑洞。"自从首次探测到引力波以来，越来越多的科学家猜测，这种原始黑洞可能构成暗物质的重要部分，如果不是全部的话。大麦哲伦云被银河系光环中的大质量天体透镜化的艺术印象。图片来源：J.Skowron/OGLE利用微透镜技术探索暗物质幸运的是，这一假设可以通过天文观测得到验证。我们观测到银河系中存在大量暗物质。如果它是由黑洞组成的，我们就应该能够在我们的宇宙邻域中探测到它们。鉴于黑洞不会发出任何可探测到的光，这可能吗？根据爱因斯坦的广义相对论，光线可能会在大质量天体的引力场中发生弯曲和偏转，这种现象被称为引力微透镜。"当三个物体--地球上的观测者、光源和透镜--在太空中几乎理想地对齐时，就会发生微透镜现象，"OGLE勘测的首席研究员AndrzejUdalski教授说。"在微透镜事件中，光源的光线可能会发生偏转和放大，我们观测到光源的光线会暂时变亮。"变亮的持续时间取决于透镜天体的质量：质量越大，时间越长。太阳质量天体的微透镜事件通常会持续数周，而质量比太阳大100倍的黑洞的微透镜事件则会持续数年。利用引力微透镜研究暗物质的想法并不新鲜。20世纪80年代，波兰著名天体物理学家博赫丹-帕钦斯基首次提出了这一想法。他的想法激发了三大实验的启动：波兰的OGLE、美国的MACHO和法国的EROS。这些实验的首批结果表明，质量小于一个太阳质量的黑洞可能只占暗物质的不到10%。不过，这些观测对时间尺度极长的微透镜事件并不敏感，因此对大质量黑洞也不敏感，类似于最近用引力波探测器探测到的那些黑洞。智利拉斯坎帕纳斯天文台（由卡内基科学研究所运营）夜景。OGLE项目观测站以及大麦哲伦云和小麦哲伦云。图片来源：KrzysztofUlaczykOGLE的长期观察研究在《天体物理学杂志增刊系列》（AstrophysicalJournalSupplementSeries）的这篇新文章中，OGLE天文学家介绍了对位于附近一个名为大麦哲伦云的星系中的近8000万颗恒星进行的长达近20年的光度监测结果，以及对引力微透镜事件的搜索。所分析的数据是在2001年至2020年OGLE项目的第三和第四阶段收集的。Udalski教授说："这组数据提供了现代天文学史上对大麦哲伦云中恒星进行的时间最长、规模最大、最精确的测光观测。"第二篇文章发表在《自然》杂志上，讨论了这一发现的天体物理学后果。Mróz博士说："如果银河系中的所有暗物质都是由10个太阳质量的黑洞组成，那么我们本应探测到258个微透镜事件。对于100个太阳质量的黑洞，我们预计会有99个微透镜事件。1000个太阳质量的黑洞--27个微透镜事件。"相比之下，OGLE天文学家只发现了13个微透镜事件。他们的详细分析表明，所有这些事件都可以用银河系或大麦哲伦云本身的已知恒星群来解释，而不是用黑洞来解释。Mróz博士说："这表明大质量黑洞最多只能构成暗物质的百分之几。"详细计算表明，10个太阳质量的黑洞可能最多占暗物质的1.2%，100个太阳质量的黑洞占暗物质的3.0%，1000个太阳质量的黑洞占暗物质的11%。Udalski教授说："我们的观测结果表明，原始黑洞不可能占暗物质的很大一部分，同时也能解释LIGO和室女座观测到的黑洞合并率。"因此，LIGO和室女座探测到的大质量黑洞需要其他解释。根据一种假设，它们是大质量、低金属度恒星演化的产物。另一种可能是，在球状星团等高密度恒星环境中，质量较小的天体发生了合并。Udalski教授补充说："我们的研究成果在未来几十年内都会出现在天文学教科书中。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1436151.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1436151.htm

物理学家揭秘黑洞的怪异量子特性：同时拥有不同质量的能力

物理学家揭秘黑洞的怪异量子特性：同时拥有不同质量的能力使用NightCafeCreatorAI创建的质量量化黑洞的插图。资料来源：昆士兰大学"黑洞拥有我们宇宙中一个令人难以置信的独特和迷人的特征，"Foo说。"当重力将大量的物质难以置信地挤压到一个微小的空间时，它们就会产生，产生如此大的引力，甚至连光都无法逃脱。这是一个可以由垂死的恒星引发的现象。但是，直到现在，我们还没有深入研究黑洞是否显示出量子物理学的一些奇怪和奇妙的行为。"这样的行为之一是叠加，即量子尺度上的粒子可以同时存在于多种状态。这一点最常见的是薛定谔的猫，它可以同时既死又活。但是，对于黑洞来说，我们想看看它们是否可以同时拥有巨大的不同质量，结果发现它们确实如此。想象一下，你既宽又高，同时又矮又瘦--这是一种直观上令人困惑的情况，因为我们立足于传统物理学的世界。但这是量子黑洞的现实。为了揭示这一令人费解的现象，物理学家团队开发了一个数学框架，允许我们将一个粒子"置于"理论上的质量叠加黑洞之外。质量被特别关注，因为它是黑洞的一个决定性特征，而且量子黑洞自然会有质量叠加，这也是合理的。研究的共同导师MagdalenaZych博士说，这项研究事实上加强了量子物理学先驱们提出的猜想。她说："我们的工作表明，雅各布-贝肯斯坦--一位美国和以色列的理论物理学家，对黑洞热力学的基础做出了根本性贡献--的早期理论是正确的。他假设黑洞的质量只能达到一定的数值，也就是说，它们必须落在一定的波段或比率内--例如，这就是原子的能量水平的作用。"建模表明，这些叠加的质量事实上是在某些确定的波段或比率内--正如贝肯斯坦所预测的那样。"我们没有假设任何这样的模式，所以我们发现这个证据的事实是相当令人惊讶的。宇宙正在向我们揭示，它总是比我们大多数人所能想象的更加奇怪、神秘和迷人。"这项研究已经发表在《物理评论快报》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1331781.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1331781.htm

神秘的物理学："你能想象到的宇宙中最激烈的事件之一"

神秘的物理学："你能想象到的宇宙中最激烈的事件之一"发表在《物理评论快报》上的这一发现，是对这种灾难性冲突的后果的首次详细观察，并显示了残余黑洞将如何形成并通过宇宙发送引力波。黑洞合并是宇宙中为数不多的事件之一，其能量足以产生可探测的引力波，引力波携带着大规模宇宙碰撞产生的能量。就像池塘里的涟漪，这些波在宇宙中流动，扭曲了空间和时间。但与在水中流动的波不同，它们极其微小，并在"时空"中传播。"时空"是一个令人费解的概念，它将空间的三个维度与时间的概念相结合。模拟显示了两个黑洞在接近光速时的碰撞，揭示了一个天体物理学家称之为"你能想象到的宇宙中最猛烈的事件之一"的神秘物理学。这项工作是对这种灾难性碰撞的后果的首次详细观察，并显示了一个残余黑洞将如何形成，并在宇宙中发出引力波。"如果一个引力波穿过我，它会让我变得更瘦更高，然后更矮更胖，"共同作者、约翰霍普金斯大学的物理学家EmanueleBerti说。"但它所做的量大约比原子核的大小小10万倍。"物理学家们通过简化广义相对论-爱因斯坦的引力作用理论来研究黑洞合并后发出的电波，使用的方程忽略了合并的微妙但重要的引力效应。Berti认为这种方法是有偏见的，因为它依赖于"线性近似"，即假设合并过程中产生的引力波是弱的。尽管黑洞以如此极端的速度碰撞几乎是不可能的，但模拟这样的碰撞产生的信号足以让研究小组检测到非线性，或用简化版的理论无法发现的引力效应。这些发现表明，不能用线性化的方程来研究黑洞合并，目前这些事件的模型需要进行调整，如果不是完全改变的话。领导这项研究的约翰霍普金斯大学物理学博士生MarkHo-YeukCheung说："广义相对论是非线性的，这意味着引力波本身也会产生更多引力波。"该研究小组还通过分析两个黑洞在相互绕行后合并的模拟结果发现了这些所谓的非线性，这种情况更真实地代表了宇宙中发生的情况。加州理工学院的一个独立研究小组对相同模拟的研究，也出现在《物理评论快报》上，并发现了类似的结果。"这是一个大问题，因为如果我们真的想了解黑洞，我们不能忘记这些复杂的问题，"张说。"爱因斯坦的理论是一头野兽；方程式真的很复杂。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349467.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349467.htm

实验室中的量子氦龙卷风模拟了黑洞扭曲的时空

实验室中的量子氦龙卷风模拟了黑洞扭曲的时空于是，来自诺丁汉大学（UN）、伦敦国王学院和纽卡斯尔大学的研究人员转而研究流体中的漩涡，因为流体中的漩涡在某种程度上可以模拟太空中物质围绕黑洞旋转的方式。特别是，他们决定看看是否能改进联合国黑洞实验室之前发明的一种方法，即在一个特殊设计的水槽中的旋涡可以揭示黑洞周围发生的一种已知的特殊现象，即超光度（superradiance）。(您可以在以下联合国视频中观看该实验）。在这个实验中，他们使用了冷至冰冷的-271°C（-456°F）的超流体氦。超流体是一种粘度接近零的流体。诺丁汉大学数学科学学院的帕特里克-斯万卡拉（PatrikSvancara）是这项研究的第一作者，他介绍说："由于超流体氦的粘度极小，我们能够细致地研究它们与超流体龙卷风的相互作用，并将研究结果与我们自己的理论预测进行比较。"在超流体氦被冷却到的温度下，它开始表现出量子特性，这可能导致它变得不稳定。不过，一个定制的腔室让研究小组得以控制住流体，减轻了量子效应。斯万卡拉说："超流体氦含有被称为量子漩涡的微小物体，它们往往会相互扩散。在我们的装置中，我们成功地将数万个这样的量子限制在一个类似小型龙卷风的紧凑物体中，实现了量子流体领域中强度破纪录的涡流。"通过测量这种超冷超流体表面的波动力学，研究小组得出结论，该系统模仿了与旋转黑洞附近相同的引力条件。希望这一装置能帮助研究小组进一步深入了解黑洞，尽管不断有发现，但黑洞对天体物理学家来说仍有许多谜团。"早在2017年，当我们在最初的模拟实验中首次观测到黑洞物理的清晰特征时，这对于理解一些奇异现象来说是一个突破性的时刻，而这些现象往往是具有挑战性的，甚至是不可能研究的，"黑洞实验室的工作负责人西尔克-魏因富特纳（SilkeWeinfurtner）说。"现在，通过更复杂的实验，我们将这项研究提升到了一个新的水平，最终可以预测量子场在天体物理黑洞周围的弯曲时空中的行为方式。"这项研究发表在《自然》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424540.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424540.htm

物理学家创建了环形黑洞的新模型

物理学家创建了环形黑洞的新模型黑洞是空间中引力非常强大的区域，以至于没有任何东西，甚至是光，可以逃脱其牵引。它们是由大质量恒星的残余物形成的，这些恒星已经坍缩到自己身上了。基夫-米特曼说："非线性效应是海滩上的波峰和碰撞时发生的情况。"他是加州理工学院的研究生，与索尔-特科尔斯基（74年博士）一起工作，后者是加州理工学院理论天体物理学的罗宾逊教授，在康奈尔大学有一个联合任命。"这些波相互作用，相互影响，而不是自己骑行。对于像黑洞合并这样剧烈的事情，我们预计会有这些影响，但直到现在才在模型中看到它们。从我们的模拟中提取波形的新方法使我们有可能看到这些非线性。"发表在《物理评论快报》杂志上的这项研究来自于加州理工学院、哥伦比亚大学、密西西比大学、康奈尔大学和马克斯-普朗克引力物理研究所的一个研究小组。加州理工学院研究生KeefeMitman解释了一个包含非线性引力效应的黑洞碰撞的新数学模型--他把这种现象比作两个人在蹦床上狂跳时发生的情况。在未来，这个新模型可以用来了解实际的黑洞碰撞，自从LIGO（激光干涉仪引力波观测站）在2015年创造历史，首次从太空直接探测到引力波以来，LIGO就一直在例行观测。LIGO将在今年晚些时候重新开启，在此之前，LIGO将获得一组升级，使探测器对引力波比以前更加敏感。米特曼和他的同事是一个名为"模拟极端空间合作"（SXS）的团队的成员。SXS项目由Teukolsky和诺贝尔奖获得者KipThorne（BS'62）合作创立，他是加州理工学院理论物理学名誉教授RichardP.Feynman，该项目使用超级计算机来模拟黑洞合并。超级计算机利用爱因斯坦的广义相对论的方程模拟黑洞如何在一起螺旋式地演化和合并。事实上，Teukolsky是第一个了解如何使用这些相对论方程来模拟黑洞碰撞的"下降"阶段的人，这个阶段就发生在两个大质量物体合并之后。"需要超级计算机来进行整个信号的精确计算：两个轨道上的黑洞的吸入，它们的合并，以及沉降到一个单一的静止残余黑洞，"Teukolsky说。"对沉降阶段的线性处理是我不久前在基普手下的博士论文的主题。对这一阶段的新的非线性处理将允许对电波进行更精确的建模，并最终对广义相对论是否事实上是黑洞的正确引力理论进行新的测试。"事实证明，SXS模拟在识别和描述LIGO迄今为止探测到的近100个黑洞粉碎方面发挥了作用。这项新的研究代表了该团队首次在模拟环流阶段的过程中发现了非线性效应。"想象一下，在一个蹦床上有两个人，"米特曼说。"如果他们轻轻地跳，他们不应该影响另一个人那么多。这就是我们说一个理论是线性的时候所发生的事情。但是如果一个人开始用更多的能量弹跳，那么蹦床就会扭曲，另一个人就会开始感受到他们的影响。这就是我们所说的非线性：蹦床上的两个人因为另一个人的存在和影响而经历新的振荡。"在引力方面，这意味着模拟产生了新类型的波。"如果你在大波之下深入挖掘，你会发现另外一种具有独特频率的新波，"米特曼说。从大的方面来看，这些新的模拟将帮助研究人员更好地描述LIGO所观测到的未来黑洞碰撞的特征，并更好地测试爱因斯坦的广义相对论。合著者、哥伦比亚大学的MacarenaLagos说："这是我们为下一阶段的引力波探测做准备的一大步，这将加深我们对发生在宇宙远处的这些不可思议的现象中的引力的理解"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349313.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349313.htm