天文科普:向黑洞要能量,這可能嗎?
來(lái)源:星空計(jì)劃
發(fā)布時(shí)間:2022-08-17
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作者:茍利軍

這一次我們要說(shuō)一說(shuō)黑洞的能量,其實(shí)向黑洞要能量,是可能的。但是要理解黑洞的能量,我們要先從黑洞的形成說(shuō)起。在宇宙中,有著不同質(zhì)量的恒星,有和我們太陽(yáng)質(zhì)量差不多的,有比我們太陽(yáng)質(zhì)量小一些的,有比我們太陽(yáng)質(zhì)量大一些的,還有比我們太陽(yáng)質(zhì)量大很多的。根據(jù)現(xiàn)有的恒星演化的理論,類似于我們太陽(yáng)或者比太陽(yáng)質(zhì)量小于差不多8倍的天體,在死亡的時(shí)候,恒星的中心部分就會(huì)變成一個(gè)白矮星。而那些介于8倍太陽(yáng)質(zhì)量到20倍太陽(yáng)質(zhì)量之間的天體,在租后死亡的時(shí)候會(huì)變成一個(gè)中子星。而那些初始質(zhì)量大約20倍太陽(yáng)質(zhì)量的天體,最后恒星的中心部分,就會(huì)坍縮形成一個(gè)黑洞。之所以形成黑洞就是因?yàn)闆](méi)有已知道的力來(lái)支撐其他的天體了。

對(duì)于黑洞而言,通常是可以分為史瓦西黑洞和克爾黑洞,史瓦西黑洞就是沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞,而克爾黑洞是指有轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞。當(dāng)然我們通常想象的是將通過(guò)某種方式將讓黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的能量提取出來(lái),如果是這樣我們可以想象,對(duì)于史瓦西黑洞,也就是不轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞,應(yīng)該是沒(méi)有可以能量可以提取出來(lái)的,然而其實(shí)不是這樣的,對(duì)于沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞,按照目前的說(shuō)法,應(yīng)該大約是有6%以上的能量可以提取出來(lái)的,這和我們通常的認(rèn)識(shí)其實(shí)有點(diǎn)不太一樣的。對(duì)于旋轉(zhuǎn)的黑洞,我們知道黑洞視界面的轉(zhuǎn)動(dòng)速度最高可以接近光速,所以此時(shí)黑洞可以被提取的能量接近42%,這已經(jīng)是非常高了。那我們所看到的黑洞質(zhì)量,其實(shí)是包含了黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)能量了。

在天體物理當(dāng)中,黑洞的周圍通常都有一個(gè)吸積盤,吸積盤的物質(zhì)會(huì)有一部分慢慢地掉入到黑洞之中,另外一部分物質(zhì)會(huì)沿著黑洞的轉(zhuǎn)軸方向噴射出去,在天文學(xué)當(dāng)中,我們把沿著轉(zhuǎn)軸方向的物質(zhì)稱之為噴出物質(zhì)或者稱之為噴流,那這部分物質(zhì)的能源機(jī)制是什么呢?其實(shí)就是黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)能,就是我們?cè)谏厦嫠岬降哪芰?。那我們能否通過(guò)人為的方式提取這些能量呢?之前有人就想出來(lái)類似于戴森球這樣的方式放在一個(gè)正常的恒星周圍,將恒星輻射的能量提取出來(lái),這就是我們知道的通常的戴森球。依據(jù)這個(gè)想法,有人就想到將類似的戴森球放在黑洞周圍,當(dāng)然這個(gè)裝置更為復(fù)雜一些,然后把黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)能量聚集起來(lái),加以利用,曾經(jīng)獲得諾獎(jiǎng)的基普·索恩曾經(jīng)就在其科普讀物《黑洞與時(shí)間彎曲》一書當(dāng)中提到了如何提取黑洞能量的方法。除此之外,還有一些理論研究在黑洞周圍行星存在的可能性,最后的結(jié)果是行星也是可以存在于黑洞的周圍,因?yàn)楹诙粗車臍怏w盤可以提供一定的輻射。

那么我們真可以利用黑洞的能量嗎?在上世紀(jì)60年代初,前蘇聯(lián)宇宙學(xué)家卡爾達(dá)肖夫,根據(jù)文明可以掌握和利用的能源等級(jí)、總量,假設(shè)出了宇宙文明的三級(jí)模型。一級(jí)宇宙文明可以稱之為行星文明,也就是能夠利用行星上的所有能源和資源。二級(jí)宇宙文明是恒星文明,是指可以利用整個(gè)恒星系的所有資源。三級(jí)文明是星系文明,是指可以利用整個(gè)星系的資源。而根據(jù)目前人類的能力,我們還處在一級(jí)文明之中,等級(jí)為0.7。對(duì)于我們提到的黑洞,它還是屬于恒星的級(jí)別,應(yīng)該是處在下一個(gè)文明之中。我們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有觸及。

盡管我們還沒(méi)有達(dá)到利用黑洞能量的地步,但是我們需要先考慮下,我們是否生存在這個(gè)黑洞的周圍?在銀河系中,按照估計(jì)存在著上億個(gè)恒星量級(jí)的黑洞,不過(guò)到目前為止,我們發(fā)現(xiàn)的恒星量級(jí)的黑洞僅僅不足100個(gè),在這發(fā)現(xiàn)的不足100個(gè)黑洞當(dāng)中,真正精確測(cè)量地也就不足二三十個(gè),所以說(shuō)是冰山一角。按照我們現(xiàn)有的理解,有的黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的慢,有的黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)快,所以不同的黑洞可以提取的能量應(yīng)該是不同的。按照我們目前的理解,距離地球或者太陽(yáng)最近的恒星級(jí)的黑洞為A0620,這是按照其發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星命名的一個(gè)黑洞,距離我們大約是3000多光年,所以說(shuō)這個(gè)黑洞是非常的遙遠(yuǎn),對(duì)于我們要想利用其能量,我們目前應(yīng)該是不太可能。

所以再次簡(jiǎn)單回答一下這個(gè)問(wèn)題就是:無(wú)論是轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞,還是不轉(zhuǎn)的黑洞,理論上我們盡管可以向黑洞提取能量,但是因?yàn)?/p>

距離很遠(yuǎn),以及我們目前所處的等級(jí)太低,我們沒(méi)有辦法進(jìn)行操作。期待未來(lái)的人類可以做到。

文章由科普中國(guó)-創(chuàng)作培育計(jì)劃出品,轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源



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