1915年,愛因斯坦提出了他的廣義相對論,轟動了世界。很快,德國天體物理學家史瓦西就根據廣義相對論,推測出了一種極為詭異的天體——黑洞。
黑洞可以吞噬所有的光,因此不可能被我們直接觀測到。所以很長一段時間裡,人們都在質疑黑洞的真實性。直到越來越多的天文發現被公布,黑洞也逐漸獲得了全世界的認可。2019年,全世界科學家還聯手拍攝了曆史上第一張黑洞(吸積盤)的照片,主角就是M87星系中心的超大質量黑洞。
可是,直到現在,還有人在對此有所懷疑。來自荷蘭拉德堡大學和德國歌德大學的天體物理學家Hector Olivares就發出了一個疑問:我們怎麼就能确定M87*是一個黑洞呢?
他不僅提出了懷疑,甚至給出了自己的推測。他認為,盡管看起來證據充分,但M87*仍然有一點可能是一種我們目前還從未發現過的詭異天體——玻色子星。
所謂的玻色子星,和我們目前見到過的任何天體都不同。不論是恒星還是行星,或者其他可見天體,它們都是由質子、中子或電子等微觀粒子構成的。而玻色子星完全不同,它們是由玻色子構成的。
那麼,首先我們要問一下:玻色子是什麼?
根據現代物理标準模型,我們見到過的所有物質和現象,都是由一些最基本的粒子構成的。所謂的基本粒子,是不可再分的最基礎粒子,即使是構成原子核的質子和中子都算不上基本粒子,因為它們是由基本粒子誇克組成的。
根據傳播不同的力,基本粒子又被分為強子、輕子和傳播子。而根據自旋屬性,它們又被分為費米子和玻色子。其中,費米子是一些自旋為半整數的基本粒子,包括誇克和輕子;玻色子則是一些自旋為整數的基本粒子,包括光子、膠子,也可能還有傳說中的希格斯玻色子(上帝粒子),它們與費米子有着明顯的不同。
如果你還記得高中課程的話,就不會忘記量子力學中的一些最常見知識點,其中一個就是泡利不相容原理。泡利指出:一個由費米子構成的系統中,不可能容納兩個或更多相同狀态的粒子。中學的時候,我們隻是用這個原理來理解原子的電子軌道排布,但它其實在許多方面約束着費米子的運行。
但是,玻色子就完全不會受到泡利不相容原理的約束,它們完全可以擠壓在一個非常小的空間裡,并且看起來像是一個十分巨大的粒子或是物質波。這一點已經在實驗室被證實了,那就是玻色-愛因斯坦凝聚物,亦即處于物質第五态的玻色子。
而一顆所謂的玻色子星,正是由大量玻色子擠壓在狹窄空間裡甚至是像奇點那樣的一個點之中,從而形成的一種緻密天體。科學家指出:隻要玻色子排列方式正确,就有可能出現這種現象,甚至可能形成超大質量黑洞那麼巨大的天體。這種事聽起來很詭異,并且至今也沒有人發現過所謂的玻色子星,但是目前的理論并不能駁斥它的存在。
更重要的是,Olivares指出:“就像黑洞一樣,玻色子星也是廣義相對論所預言的天體,而且能夠成長到數百萬倍太陽質量,并達到極高的緻密度。正是由于它們與超大質量黑洞有諸多相似之處,才讓許多作者提出,那些位于星系中心的超大質量緻密天體或許就是玻色子星。”
想要證明這一點,關鍵就在于找出二者之間的相同之處和不同之處。
玻色子星和黑洞相似之處在于,玻色子不會結合成為原子核,所以它們不會發出任何輻射。如果有玻色子星存在,它們就會像黑洞一樣,可以吸引物質,但是本身并不能被我們直接觀測到。
和黑洞不同的是,玻色子星是透明的,它不會吸收掉光,因此也沒有事件視界。盡管面對超強的引力,光也隻會出現偏折,不會被吸收。另外,對于玻色子星來說,它們的周圍可能會存在一個等離子的環狀結構,其性質和黑洞吸積盤一樣同時,這個等離子環也會産生一個黑暗的區域,并且其範圍大小受到玻色子星時空特性等方面的約束。
這也是Olivares本次研究的重點,他帶領着自己的團隊,利用計算機模拟了這些可能存在的等離子環,并且将其與黑洞的吸積盤進行對比。
他們的模拟結果顯示:和相同質量黑洞的吸積盤相比,玻色子星周圍的等離子環所産生的黑暗區域要小得多。然後,他們利用M87*的質量進行了代入,發現它實際所産生的黑暗區域和理論上這麼大質量黑洞的結果相同,而如果它是一顆玻色子星,将不會有我們觀測到的這麼巨大的黑暗區域,最終證明了M87*的确是一顆超大質量黑洞。
Olivares指出:未來我們可以利用這個方法對可能是黑洞的天體進行觀測,憑借着黑暗區域的大小,來确定我們發現的到底是黑洞還是玻色子星。憑借着事件視界望遠鏡的強大觀測能力,這樣的對比将不會太難。
當然,玻色子星和黑洞并不矛盾,即使證明有些被我們看作是黑洞的天體真的是玻色子星,也不意味着黑洞并不存在,反之亦然。而如果我們真的發現這種神秘的天體,那麼科學家将可以更好地理解早期宇宙的膨脹以及宇宙中的暗物質。
實際上,Olivares本人也并非想要嘩衆取寵,或者毫無理由地質疑現有理論,而是出于科學所必需的嚴謹态度。在曆史上,已經有太多理論看似牢不可破但被一些疑問而擊潰的案例了。因此,在我們徹底證明這些緻密天體是超大質量黑洞之前,心存一定的懷疑是沒有錯的。
人類的科學有很大一部分都是通過質疑而發生重大突破的,比如伽利略對亞裡士多德的質疑,楊振甯和李政道對宇稱守恒的質疑。在科學的道路上,回答問題的确是一種本事,但能夠提出問題,則更需要一些勇氣。
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