宇宙黑洞是怎么形成的
宇宙黑洞是怎么形成的
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。那形成黑洞有哪些因素呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于宇宙黑洞是怎么形成的的內(nèi)容,希望大家喜歡!
宇宙黑洞形成的原因
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。
吸積
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。
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。
毀滅
黑洞會(huì)發(fā)出耀眼的光芒,體積會(huì)縮小,甚至?xí)ǎ瑫?huì)噴射物體,發(fā)出耀眼的光芒。當(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。
宇宙黑洞的表現(xiàn)形式
據(jù)英國(guó)媒體報(bào)道,一項(xiàng)新的理論指出黑洞的死亡方式可能是以轉(zhuǎn)變?yōu)榘锥吹姆绞竭M(jìn)行的。理論上來說,白洞在行為上恰好是黑洞的反面——黑洞不斷吞噬物質(zhì),而白洞則不斷向外噴射物質(zhì)。 這一發(fā)現(xiàn)最早是由英國(guó)某雜志網(wǎng)站報(bào)道的,其理論依據(jù)是晦澀的量子引力理論。
恒星的時(shí)空扭曲改變了光線的路徑,使之和原先沒有恒星情況下的路徑不一樣。光在恒星表面附近稍微向內(nèi)偏折,在日食時(shí)觀察遠(yuǎn)處恒星發(fā)出的光線,可以看到這種偏折現(xiàn)象。當(dāng)該恒星向內(nèi)坍塌時(shí),其質(zhì)量導(dǎo)致的時(shí)空扭曲變得很強(qiáng),光線向內(nèi)偏折得也更強(qiáng),從而使得光線從恒星逃逸變得更為困難。對(duì)于在遠(yuǎn)處的觀察者而言,光線變得更黯淡更紅。最后,當(dāng)這恒星收縮到某一臨界半徑(史瓦西半徑)時(shí),其質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空扭曲變得如此之強(qiáng),使得光向內(nèi)偏折得也如此之強(qiáng),以至于光線再也逃逸不出去 。這樣,如果光都逃逸不出來,其他東西更不可能逃逸,都會(huì)被拉回去。也就是說,存在一個(gè)事件的集合或時(shí)空區(qū)域,光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者,這樣的區(qū)域稱作黑洞。將其邊界稱作事件視界,它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。
與別的天體相比,黑洞十分特殊。人們無法直接觀察到它,科學(xué)家也只能對(duì)它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想。而使得黑洞把自己隱藏起來的的原因即是彎曲的時(shí)空。根據(jù)廣義相對(duì)論,時(shí)空會(huì)在引力場(chǎng)作用下彎曲。這時(shí)候,光雖然仍然沿任意兩點(diǎn)間的最短光程傳播,但相對(duì)而言它已彎曲。在經(jīng)過大密度的天體時(shí),時(shí)空會(huì)彎曲,光也就偏離了原來的方向。
在地球上,由于引力場(chǎng)作用很小,時(shí)空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周圍,時(shí)空的這種變形非常大。這樣,即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光,雖然有一部分會(huì)落入黑洞中消失,可另一部分光線會(huì)通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達(dá)地球。觀察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一樣,這就是黑洞的隱身術(shù)。
更有趣的是,有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達(dá)地球,它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強(qiáng)引力折射而能到達(dá)地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”,還同時(shí)看到它的“側(cè)面”、甚至“后背”,這是宇宙中的“引力透鏡”效應(yīng)。
這張紅外波段圖像拍攝的是我們所居住銀河系的中心部位,所有銀河系的恒星都圍繞銀心部位可能存在的一個(gè)超大質(zhì)量黑洞公轉(zhuǎn)。 據(jù)美國(guó)太空網(wǎng)報(bào)道,一項(xiàng)新的研究顯示,宇宙中最大質(zhì)量的黑洞開始快速成長(zhǎng)的時(shí)期可能比科學(xué)家原先的估計(jì)更早,并且仍在加速成長(zhǎng)。
一個(gè)來自以色列特拉維夫大學(xué)的天文學(xué)家小組發(fā)現(xiàn),宇宙中最大質(zhì)量黑洞的首次快速成長(zhǎng)期出現(xiàn)在宇宙年齡約為12億年時(shí),而非之前認(rèn)為的20~40億年。天文學(xué)家們估計(jì)宇宙的年齡約為138.2億年。
同時(shí),這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)宇宙中最古老、質(zhì)量最大的黑洞同樣具有非常快速的成長(zhǎng)。有關(guān)這一發(fā)現(xiàn)的詳細(xì)情況將發(fā)表在最新一期的《天體物理學(xué)報(bào)》。
如果黑洞足夠大,宇航員會(huì)開始覺察到拉著他腳的重力比拉著他頭的重力更強(qiáng)大,這種吸引力拖著他無情地向下落,重力差會(huì)迅速加大而將他撕裂,最終他的遺體會(huì)被扯得粉碎而落入黑洞那無限致密核心。
普金斯基和他的兩個(gè)學(xué)生艾哈邁德·艾姆哈里、詹姆斯·薩利,加上該校的另一位弦理論學(xué)家唐納德·馬洛夫一起,對(duì)這一事件進(jìn)行了重新計(jì)算。根據(jù)他們的計(jì)算,卻呈現(xiàn)出完全不同的另一番場(chǎng)景:量子效應(yīng)會(huì)把事件視界變成沸騰的粒子大漩渦,任何東西掉進(jìn)去都會(huì)撞到一面火焰墻上而被瞬間烤焦。
美國(guó)宇航局有關(guān)一個(gè)超大質(zhì)量黑洞及其周圍物質(zhì)盤,炙熱的物質(zhì)團(tuán)(一個(gè)呈粉紅色,一個(gè)呈黃色)每一個(gè)的體積都與太陽相當(dāng),環(huán)繞距離黑洞較近的軌道運(yùn)行。科學(xué)家認(rèn)為所有大型星系中心都存在超大質(zhì)量黑洞。黑洞一直在吞噬被稱之為“活躍星系核”的物質(zhì)。由于被明亮并且溫度極高的下落物質(zhì)盤環(huán)繞,黑洞的質(zhì)量很難確定。根據(jù)上周刊登在《自然》雜志上的一篇新研究論文,基于對(duì)繞黑洞運(yùn)行物質(zhì)旋轉(zhuǎn)速度的計(jì)算結(jié)果,37個(gè)已知星系中心黑洞的質(zhì)量實(shí)際上低于此前的預(yù)計(jì)。
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