黑洞是種什么天體?黑洞是怎么形成的
作者: formermaster/發(fā)布時(shí)間2021-08-13 11:33:41/點(diǎn)擊3287℃
導(dǎo)讀宇宙中存在太多未知的秘密，其中，黑洞的存在總是令人產(chǎn)生無限遐想，黑洞究竟是種什么天體?黑洞又是怎么形成的呢?白洞又是什么?是怎么來的?感興趣的讀者可以跟著歷史小編 一起來了解一下吧! 黑洞是什么? 黑洞(Black hole)是現(xiàn)代廣義相對(duì)論中，宇宙空間內(nèi)存在...
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宇宙中存在太多未知的秘密，其中，黑洞的存在總是令人產(chǎn)生無限遐想，黑洞究竟是種什么天體?黑洞又是怎么形成的呢?白洞又是什么?是怎么來的?感興趣的讀者可以跟著歷史小編一起來了解一下吧! 黑洞是什么? 黑洞(Blackhole)是現(xiàn)代廣義相對(duì)論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種密度無限大，體積無限小的天體，所有的物理定理遇到黑洞都會(huì)失效。黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生引力坍縮產(chǎn)生的。 黑洞的質(zhì)量極其巨大，而體積卻十分微小，它產(chǎn)生的引力場(chǎng)極為強(qiáng)勁，以至于任何物質(zhì)和輻射在進(jìn)入到黑洞的一個(gè)事件視界(臨界點(diǎn))內(nèi)，便再無法逃脫，甚至目前已知的傳播速度最快的光(電磁波)也逃逸不出。
白洞是什么?怎么來的? 黑洞無法直接觀測(cè)，但可以借由間接方式得知其存在與質(zhì)量，并且觀測(cè)到它對(duì)其他事物的影響。借由物體被吸入之前的因高熱而放出紫外線和X射線的“邊緣訊息”，可以獲取黑洞存在的訊息。推測(cè)出黑洞的存在也可借由間接觀測(cè)恒星或星際云氣團(tuán)繞行軌跡取得位置以及質(zhì)量。科學(xué)家最新研究理論顯示，當(dāng)黑洞死亡時(shí)可能會(huì)變成一個(gè)“白洞”，它不像黑洞吞噬鄰近所有物質(zhì)，而是噴射之前黑洞捕獲的所有物質(zhì)。 “黑洞”這個(gè)名字，總是令人遐想聯(lián)翩。那么，究竟什么是“黑洞”? 這個(gè)名字的第一個(gè)字“黑”，表明它不會(huì)向外界發(fā)射或反射任何光線，也不會(huì)發(fā)射或反射其他形式的電磁波——無論是波長(zhǎng)最長(zhǎng)的無線電波還是波長(zhǎng)最短的γ射線。因此人們無法看見它，它絕對(duì)是“黑”的。第二個(gè)字“洞”，說的是任何東西只要一進(jìn)入它的邊界，就休想再溜出去了，它就像一個(gè)真正的“無底洞”。 也許有人會(huì)想：假如我用一只超級(jí)巨大的探照燈對(duì)準(zhǔn)黑洞照過去，黑洞不就現(xiàn)形了嗎?錯(cuò)了!射向黑洞的光無論有多強(qiáng)，都會(huì)被黑洞全部“吞噬”，不會(huì)有一點(diǎn)反射。這個(gè)“無底洞”，照樣還是那么“黑”。 把這種奇特的天體稱為“黑洞”，真是太妙了。黑洞并不是科學(xué)家在一夜之間突然想到的。早在1798年，法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯就根據(jù)牛頓建立的力學(xué)理論推測(cè)：“一個(gè)直徑像地球、密度為太陽250倍的發(fā)光恒星，在其引力作用下，將不允許它的任何光線到達(dá)我們這里。” 這話是什么意思?我們不妨先從宇宙飛船說起。宇宙飛船要擺脫地球的引力進(jìn)入行星際空間，速度至少要達(dá)到11.2千米/秒，否則它就永遠(yuǎn)逃不出地球引力的控制。這11.2千米/秒的速度，就是任何物體從地球引力場(chǎng)中“逃逸”出去所需的最低速度，稱為地球的“逃逸速度”。 太陽的引力比地球引力強(qiáng)大得多，因此太陽的逃逸速度也要比地球的大得多，為618千米/秒。再進(jìn)一步，要是一個(gè)天體的逃逸速度達(dá)到了光速，那么就連光線也不可能從它那里逃逸出去了。這樣的天體就是黑洞，拉普拉斯所說的那個(gè)恒星便是生動(dòng)的一例。光是宇宙間跑得最快的東西，既然連光都逃不出黑洞，那么其他一切東西也就休想逃出去了。
隨著科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)黑洞的認(rèn)識(shí)也越來越深入。如今，關(guān)于黑洞的更準(zhǔn)確的說法是：“黑洞是廣義相對(duì)論預(yù)言的一種特殊天體。它的基本特征是有一個(gè)封閉的邊界，稱為黑洞的‘視界’;外界的物質(zhì)和輻射可以進(jìn)入視界，視界內(nèi)的東西卻不能逃逸到外面去。”正因?yàn)楹诙慈绱?ldquo;只進(jìn)不出、貪得無厭”，所以才有了一個(gè)不雅的外號(hào)：“太空中最自私的怪物”。 不過，事情也不是那么簡(jiǎn)單。出乎人們意料，黑洞這個(gè)“怪物”，有時(shí)候竟然還十分“慷慨”。這又是怎么一回事?在20世紀(jì)70年代，英國(guó)科學(xué)家霍金等人以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)黑洞作了更縝密的考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑洞會(huì)像“蒸發(fā)”那樣穩(wěn)定地往外發(fā)射粒子。考慮到這種“蒸發(fā)”，黑洞就不再是絕對(duì)“黑”的了。 霍金還證明，每個(gè)黑洞都有一定的溫度，而且質(zhì)量越小的黑洞溫度就越高，質(zhì)量越大的黑洞，其溫度反而越低。大黑洞的溫度很低，蒸發(fā)也很微弱;小黑洞的溫度很高，蒸發(fā)也很猛烈，類似劇烈的爆發(fā)。一個(gè)質(zhì)量像太陽那么大的黑洞，大約需要一個(gè)地球年才能蒸發(fā)殆盡;但是質(zhì)量和一顆小行星相當(dāng)?shù)男『诙矗箷?huì)在一秒鐘內(nèi)就蒸發(fā)得干干凈凈! 黑洞是怎么形成的?黑洞的演化過程是怎樣的? 1.兩個(gè)互相吞噬的黑洞 黑洞就是中心的一個(gè)密度無限大、時(shí)空曲率無限高、體積無限小的奇點(diǎn)和周圍一部分空空如也的天區(qū)，這個(gè)天區(qū)范圍之內(nèi)不可見。依據(jù)阿爾伯特-愛因斯坦的相對(duì)論，當(dāng)一顆垂死恒星崩潰，它將聚集成一點(diǎn)，這里將成為黑洞，吞噬鄰近宇宙區(qū)域的所有光線和任何物質(zhì)。 黑洞的產(chǎn)生過程類似于中子星的產(chǎn)生過程：某一個(gè)恒星在準(zhǔn)備滅亡，核心在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發(fā)生強(qiáng)力爆炸。當(dāng)核心中所有的物質(zhì)都變成中子時(shí)收縮過程立即停止，被壓縮成一個(gè)密實(shí)的星體，同時(shí)也壓縮了內(nèi)部的空間和時(shí)間。 但在黑洞情況下，由于恒星核心的質(zhì)量大到使收縮過程無休止地進(jìn)行下去，中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來的是一個(gè)密度高到難以想象的物質(zhì)。由于高質(zhì)量而產(chǎn)生的引力，使得任何靠近它的物體都會(huì)被它吸進(jìn)去。 也可以簡(jiǎn)單理解：通常恒星最初只含氫元素，恒星內(nèi)部的氫原子核時(shí)刻相互碰撞，發(fā)生聚變。由于恒星質(zhì)量很大，聚變產(chǎn)生的能量與恒星萬有引力抗衡，以維持恒星結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。由于氫原子核的聚變產(chǎn)生新的元素——氦元素，接著，氦原子也參與聚變，改變結(jié)構(gòu)，生成鋰元素。 如此類推，按照元素周期表的順序，會(huì)依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至鐵元素生成，該恒星便會(huì)坍塌。這是由于鐵元素相當(dāng)穩(wěn)定，參與聚變時(shí)不釋放能量，而鐵元素存在于恒星內(nèi)部。 導(dǎo)致恒星內(nèi)部不具有足夠的能量與質(zhì)量巨大的恒星的萬有引力抗衡，從而引發(fā)恒星坍塌，最終形成黑洞。說它“黑”，是因?yàn)樗拿芏葻o窮大，從而產(chǎn)生的引力使得它周圍的光都無法逃逸。跟中子星一樣，黑洞也是由質(zhì)量大于太陽質(zhì)量好幾十甚至幾百倍以上的恒星演化而來的。 當(dāng)一顆恒星衰老時(shí)，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料，由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍，直到最后形成體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度(一定小于史瓦西半徑)，質(zhì)量導(dǎo)致的時(shí)空扭曲就使得即使光也無法向外射出——“黑洞”就誕生了。 2.黑洞拉伸，撕裂并吞噬恒星 黑洞通常是因?yàn)樗鼈兙蹟n周圍的氣體產(chǎn)生輻射而被發(fā)現(xiàn)的，這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會(huì)嚴(yán)重影響吸積流的幾何與動(dòng)力學(xué)特性。已觀測(cè)到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當(dāng)吸積氣體接近中央黑洞時(shí)，它們產(chǎn)生的輻射對(duì)黑洞的自轉(zhuǎn)以及視界的存在極為敏感。對(duì)吸積黑洞光度和光譜的分析為旋轉(zhuǎn)黑洞和視界的存在提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。數(shù)值模擬也顯示吸積黑洞經(jīng)常出現(xiàn)相對(duì)論噴流也部分是由黑洞的自轉(zhuǎn)所驅(qū)動(dòng)的。 通常天體物理學(xué)家會(huì)用“吸積”這個(gè)詞來描述物質(zhì)向中央引力體或者是中央延展物質(zhì)系統(tǒng)的流動(dòng)。吸積是天體物理中最普遍的過程之一，而且也正是因?yàn)槲e才形成了我們周圍許多常見的結(jié)構(gòu)。在宇宙早期，當(dāng)氣體朝由暗物質(zhì)造成的引力勢(shì)阱中心流動(dòng)時(shí)形成了星系。 即使到了今天，恒星依然是由氣體云在其自身引力作用下坍縮碎裂，進(jìn)而通過吸積周圍氣體而形成的。行星(包括地球)也是在新形成的恒星周圍通過氣體和巖石的聚集而形成的。當(dāng)中央天體是一個(gè)黑洞時(shí)，吸積就會(huì)展現(xiàn)出它最為壯觀的一面。黑洞除了吸積物質(zhì)之外，還通過霍金蒸發(fā)過程向外輻射粒子。
3.蒸發(fā) 由于黑洞的密度極大，根據(jù)公式我們可以知道密度=質(zhì)量/體積，為了讓黑洞密度無限大，那就說明黑洞的體積要無限小，然后質(zhì)量要無限大，這樣才能成為黑洞。黑洞是由一些恒星“滅亡”后所形成的死星，它的質(zhì)量極大，體積極小。但黑洞也有滅亡的那天，按照霍金的理論，在量子物理中，有一種名為“隧道效應(yīng)”的現(xiàn)象，即一個(gè)粒子的場(chǎng)強(qiáng)分布雖然盡可能讓能量低的地方較強(qiáng)，但即使在能量相當(dāng)高的地方，場(chǎng)強(qiáng)仍會(huì)有分布，對(duì)于黑洞的邊界來說，這就是一堵能量相當(dāng)高的勢(shì)壘，但是粒子仍有可能出去。 霍金還證明，每個(gè)黑洞都有一定的溫度，而且溫度的高低與黑洞的質(zhì)量成反比例。也就是說，大黑洞溫度低，蒸發(fā)也微弱;小黑洞的溫度高蒸發(fā)也強(qiáng)烈，類似劇烈的爆發(fā)。相當(dāng)于一個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞，大約要1x10^66年才能蒸發(fā)殆盡;相當(dāng)于一顆小行星質(zhì)量的黑洞會(huì)在1x10^-21秒內(nèi)蒸發(fā)得干干凈凈。 4.毀滅 黑洞會(huì)發(fā)出耀眼的光芒，體積會(huì)縮小，甚至?xí)ā．?dāng)英國(guó)物理學(xué)家史蒂芬·霍金于1974年做此預(yù)言時(shí)，整個(gè)科學(xué)界為之震動(dòng)。霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍，他結(jié)合了廣義相對(duì)論和量子理論，他發(fā)現(xiàn)黑洞周圍的引力場(chǎng)釋放出能量，同時(shí)消耗黑洞的能量和質(zhì)量。 假設(shè)一對(duì)粒子會(huì)在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)被創(chuàng)生，被創(chuàng)生的粒子就是正粒子與反粒子，而如果這一創(chuàng)生過程發(fā)生在黑洞附近的話就會(huì)有兩種情況發(fā)生：兩粒子湮滅、一個(gè)粒子被吸入黑洞。“一個(gè)粒子被吸入黑洞”這一情況：在黑洞附近創(chuàng)生的一對(duì)粒子其中一個(gè)反粒子會(huì)被吸入黑洞，而正粒子會(huì)逃逸，由于能量不能憑空創(chuàng)生。 我們?cè)O(shè)反粒子攜帶負(fù)能量，正粒子攜帶正能量，而反粒子的所有運(yùn)動(dòng)過程可以視為是一個(gè)正粒子的為之相反的運(yùn)動(dòng)過程，如一個(gè)反粒子被吸入黑洞可視為一個(gè)正粒子從黑洞逃逸。這一情況就是一個(gè)攜帶著從黑洞里來的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的總能量少了，而愛因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的損失會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量的損失。 當(dāng)黑洞的質(zhì)量越來越小時(shí)，它的溫度會(huì)越來越高。這樣，當(dāng)黑洞損失質(zhì)量時(shí)，它的溫度和發(fā)射率增加，因而它的質(zhì)量損失得更快。這種“霍金輻射”對(duì)大多數(shù)黑洞來說可以忽略不計(jì)，因?yàn)榇蠛诙摧椛涞谋容^慢，而小黑洞則以極高的速度輻射能量，直到黑洞的爆炸。朝夕網(wǎng) m.kgnhyy.cn原創(chuàng)不易，請(qǐng)大佬高抬貴手！
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