研究结论;人造黑洞吉汀斯和蒙加诺两位教授在进行深入研究后得出结论:利用粒子碰撞产生的黑洞是无害的。因为,所有的黑洞都要释放出宇宙射线,小的黑洞所释放的物质要远远多于其吸收的物质,因此,在它们吸收物质之前自己就早已瞬间蒸发了。事实上整个宇宙原本就是一个类似的粒子对撞机器,具有高能量的宇宙射线和粒子会经常碰撞在地球的大气表层、太阳或者是其它的白矮星和中子星的表面,每时每刻都在发生着这样的粒子碰撞。如果这些粒子碰撞会产生危险的话,天文学家很早就会发现这一现象并对其展开研究。
其实一直以来地球就沐浴在足够可以形成黑洞的宇宙射线和粒子对撞之下,但地球一直也都没有被摧毁。而且,几乎所有粒子加速器生成的黑洞都必须达到足够的速度才能逃脱地球的重力,即使一年生产出1000万个黑洞,也大约只能捕捉到其中的10个,让它们围绕加速器中心运转。而这些被捕捉到的黑洞又是如此的渺小,假设让它穿过一块相当于地球到月球距离厚度的铁块,它也不会撞倒任何东西。它们吞噬一个质子也需要大约100小时的时间。一个这样的黑洞吞噬100个质子大约需要花费一年的时间,因此,要吞噬1毫克地球物质就需要花费比宇宙年龄还要长的时间。
国内黑洞研究;设计方案中国科学家建造人工黑洞,可将太阳能转换为热能
2009年年初,印度乌尔都大学的伊维根·纳瑞马诺维和亚历山大·基尔迪谢维在媒体杂志上发表一项研究,提出如何建造可以吸收光线的桌面黑洞的理论。这种人造黑洞可模拟宇宙黑洞,其强烈的重力可弯曲周围的时空,导致周围任何物质或辐射遵循扭曲的时空,并螺旋向内被吸收。
纳瑞马诺维和基尔迪谢维认为,这种人造黑洞可使光线向该设备中心弯曲吸收。他们设计的人造黑洞是由包含着同轴环壳的中心柱构成的圆柱结构。能使光线弯曲向内的关键因素在于同轴环壳的介电常数,它可以影响电磁波的电成分,增大从外部至内部表面的光滑程度,这类似于接近黑洞的时空的弯曲度。当同轴环壳与中心柱相接触,同轴环的介电常数必须匹配中心柱,因此光线可以被吸收,而不是被反射。
付诸实践;2009年10月,中国南京市东南大学的科学家崔铁军和陈强将纳瑞马诺维和基尔迪谢维的理论应用为实践,建造了一个微波频率的“人造黑洞”。该设备采用一种“超级材料”构造成60个同轴环,据悉,超级材料曾被用于制造隐身斗篷。每个同轴环是以不同结构的电路板形式形成,同轴环之间彼此相连接,因此其介电常数非常平滑。外部的40个同轴环构成外壳,内部的20个同轴环构成吸收体。当入射的电磁波打击该设备时,电磁波将被诱导进入内部的同轴环,然后被吸收。在同轴环将把吸收的光线转变成为热量。”
不过目前东南大学实验室里的“黑洞”,还只是适用于某些微波频率,比如人们常用的通信频率, 如GSM、CDMA 和蓝牙等,吸引光波还有待进一步研究,因为光波的频率更短,需要设计的“人造黑洞”尺寸也要更小些。
未来应用;这个人造黑洞以相同的方法捕获光波并不容易,可见光波长比微波辐射的数量级要小许多。这就要求同轴环相应地需要建造得更小一些。中国科学家崔铁军表示期望这个光学黑洞能够在2009年底被广泛使用。像这样的人造黑洞可用于收集太阳能量,尤其是对于太阳反射镜过于漫射,难以在太阳能电池上聚集的太阳光线。光学人造黑洞则能够完全将这些光线吸收,并直接转化吸收在同轴环上的太阳能电池。如果这种设备能够有效地工作,那么以后将不再需要采用抛物线反射镜收集太阳光线。
人造塑料黑洞;光在穿越光子层时会发生弯曲,与经过黑洞的情形一样
2013年10月媒体报道,中国南京大学的刘辉(Hui Liu)和同事创造了一个人造黑洞。在自然环境里,黑洞会通过自身强大的引力吞噬和围困光,因此在实验室环境下再造这个过程不仅非常困难,还无比危险。相反,刘的研究小组利用了塑料片,通过不同的折射率来模拟引力效应。折射率决定了物质能多大程度的弯曲光线。
刘的研究小组还添加了量子点来融化丙烯酸玻璃,前者是一种具有半导体特性的小片材料,它在被照亮时会发荧光。然后将这种混合物倾倒到旋转的石英薄片上,并缓慢的将其摊开。研究小组将一个微观可见的聚苯乙烯球放在中央作为锚,混合物材料距离聚苯乙烯球越近就越厚,距离越远就越稀薄。“这就产生了与黑洞周围的空间曲率相同的有效折射率,”刘这样说道。事实上,用于建模黑洞的爱因斯坦场方程式也可能用于描述丙烯酸里光的行为。
在人造黑洞里,这种引力会随着激光逐渐靠近聚苯乙烯球而逐渐增大,最终达到一个临界点,也即180度完全扭曲光。之前科学家也曾创造人造黑洞以模拟黑洞的视界,试图检测名为霍金辐射的神秘过程——但这是首个再造光子层的人造天体。
德国人造黑洞试验;2010年,德国马克斯普朗克核物理研究所和赫尔姆霍茨柏林中心的研究人员使用柏林同步加速器(BESSY Ⅱ)在实验室成功产生了黑洞周边的等离子体。通过该研究,之前只能在太空由人造卫星执行的天文物理实验,也可以在地面进行,诸多天文物理学难题有望得到解决。
黑洞的重力很大,会吸附一切物质。进入黑洞后,任何东西都不可能从黑洞的边界之内逃逸出来。随着被吸入的物体的温度不断升高,会产生核与电子分离的高温等离子体。
黑洞吸附物质会产生X射线,X射线反过来又会刺激其中的大量化学元素发射出具有独特线条(颜色)的X射线。分析这些线条可以帮助科学家了解更多有关黑洞附近等离子体的密度、速度和组成成分等信息。
在这个过程中,铁起了非常关键的作用。尽管铁在宇宙中的储量并不如更轻的氢和氦丰富,但是,它能够更好地吸收和重新发射出X射线,发射出的光子因此也比其他更轻的原子发射出的光子具有更高的能量、更短的波长(使得其具有不同的颜色)。
铁发射出的X射线在穿过黑洞周围的介质时也会被吸收。在这个所谓的光离化过程中,铁原子通常会经历几次电离,其包含的26个电子中有超过一半会被去除,最终产生带电离子,带电离子聚集成为等离子体。而现在,研究人员在实验室中重现了这个过程。
实验的核心是马克斯普朗克核物理研究所设计的电子束离子阱。在这个离子阱中,铁原子经由一束强烈的电子束加热,从而被离子化14次。实验过程如下:一团铁离子(仅仅几厘米长并且像头发丝一样薄)在磁场和电场的作用下被悬停在一个超高真空内,同步加速器发射出的X射线的光子能量被一台精确性超高的“单色仪”挑选出来,作为一束很薄但却集中的光束施加到铁离子上。
实验室测量到的光谱线与钱德拉X射线天文台和牛顿X射线多镜望远镜所观测的结果相匹配。也就是说,研究人员在地面实验室人为制造出了太空中的黑洞等离子体。
这种新奇的方法将带电离子的离子阱和同步加速器辐射源结合在一起,让人们可以更好地了解黑洞周围的等离子体或者活跃的星系核。研究人员希望,将EBIT分光检查镜和更清晰的第三代(2009年开始在德国汉堡运行的同步辐射源PETRAⅢ)、第四代(X射线自由电子激光XFEL)X射线源结合,将能够给该研究领域带来更多新鲜活力。
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