宇宙黑洞是怎么形成的
宇宙黑洞是怎么形成的
黑洞無(wú)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(wú)限大、時(shí)空曲率無(wú)限高、體積無(wú)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(jiàn)。依據(jù)阿爾伯特-愛(ài)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(guò)程類似于中子星的產(chǎn)生過(guò)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(guò)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(guò)程無(wú)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(lái)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(wàn)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(wàn)有引力抗衡，從而引發(fā)恒星坍塌，最終形成黑洞。說(shuō)它“黑”，是因?yàn)樗拿芏葻o(wú)窮大，從而產(chǎn)生的引力使得它周圍的光都無(wú)法逃逸。跟中子星一樣，黑洞也是由質(zhì)量大于太陽(yáng)質(zhì)量好幾十甚至幾百倍以上的恒星演化而來(lái)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(méi)有足夠的力量來(lái)承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開(kāi)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(wú)限小、密度幾乎無(wú)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(wú)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(guò)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(guò)程之一，而且也正是因?yàn)槲e才形成了我們周圍許多常見(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)霍金蒸發(fā)過(guò)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(wú)限大，那就說(shuō)明黑洞的體積要無(wú)限小，然后質(zhì)量要無(wú)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(lái)說(shuō)，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(shuō)，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(yáng)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)?，?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(guò)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(guò)程可以視為是一個(gè)正粒子的為之相反的運(yùn)動(dòng)過(guò)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(lái)的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的總能量少了，而愛(ài)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(lái)越小時(shí)，它的溫度會(huì)越來(lái)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(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)，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(méi)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(lái)，其他東西更不可能逃逸，都會(huì)被拉回去。也就是說(shuō)，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(wú)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(lái)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(guò)大密度的天體時(shí)，時(shí)空會(huì)彎曲，光也就偏離了原來(lái)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(guò)彎曲的空間中繞過(guò)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(jiàn)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(kāi)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(lái)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?？焖俚某砷L(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(kāi)始覺(jué)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(wú)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(wú)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(yáng)相當(dāng)，環(huán)繞距離黑洞較近的軌道運(yùn)行?？茖W(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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