关于黑洞,下面的内容从它的形成与演化及发现过程开始,带你详细了解黑洞的方方面面。
黑洞的形成与演化
1783 年,英国科学家约翰·米歇尔提出,存在一种具有超大质量和超高密度的恒星,这种恒星的引力是如此之强,甚至连光线都无法从它内部逃脱。到了 1795 年,法国科学家皮埃尔·拉普拉斯将光速的有限性与经典力学中的最大逃逸速度相结合,第一次提出了黑洞的概念,这也是传统力学的引力所能带来的最富有创造力的结果,因此他也被称为黑洞之父。科学经过一个多世纪的发展,到了 1916 年,德国天文学家史瓦西求出了爱因斯坦的广义相对论方程的严格解。通过这个解我们可以推测出,宇宙中可能存在一种尚未被观测到的引力巨大的天体,也就是后来我们所说的黑洞。
黑洞被看做是恒星最终的宿命,像是恒星的坟墓,所以也被称为「坟星」。黑洞可以说是宇宙中最不为人知的天体,因为它无法发出任何可见光,对人的各种观测手段来说,它都是一片漆黑的,所以被叫做黑洞。但是在成为黑洞之前,它曾经是宇宙中最明亮的天体。在恒星的生命快要结束的时候,会发出最耀眼的光芒,之后只留下一个坍缩的核。这个很小的核却拥有超级强大的吸引力,连光都无法逃出它的范围,所以无法观测到它。它不但是不可见的,还会把所有靠近它的物质都吞噬掉。
可以这样简单地描述黑洞形成的过程。一般来说,恒星中只含有氢元素,这些氢原子每时每刻都在发生核聚变和核裂变。因为恒星自身具有很大的质量,所以内部的核反应产生的能量与引力达到一种平衡,这就让恒星能够保持稳定。因为核反应,氢原子的结构也会发生变化,并形成新的氦原子。氦原子继续参加核聚变和裂变,再次形成其他的新元素。在恒星的生命只剩下最后的十分之一的时候,温度就会变得越来越高,不断地释放出巨大的能量。因为恒星本身的质量十分巨大,所以有强大的引力,恒星自身释放出的能量与引力刚好达到平衡。但是当恒星的能量快要消耗完的时候,就无法与自身的引力抗衡了,在巨大的引力作用下,恒星开始崩溃,并向内部剧烈坍缩。
按照元素周期表中原子量的顺序,各种新的元素不断形成,直到铁元素出现为止。因为铁十分稳定,所以不会继续发生核反应,当恒星内部出现足够多的铁元素时,恒星就无法释放足够多的能量来与自身的引力达到平衡,这时它就开始坍缩。如果它的质量足够大,就会变成黑洞。黑洞本身的强大引力会将它周围的所有物质都吸进去,像一个无底洞一样疯狂地吞噬。宇宙中的尘埃和物质不断向黑洞周围聚集,形成一个旋涡状的物体,它被称为吸积盘。
黑洞产生的这个过程,与中子星的形成过程有些类似。它们都是大质量恒星在自身的引力作用下发生坍缩而形成的。只不过,中子星是在恒星坍缩到其中的所有物质都变为中子时,坍缩过程就停止了,变成了一个中子紧密结合成的质量超大的星球。但是黑洞坍缩的过程会不断持续,中子也会被巨大的引力撕碎,变成更为基本的粒子,最后成为一个密度极大的物体。因为它的引力太过巨大,表面的第二宇宙速度甚至超过了光速,所以连光都无法逃脱它的掌控。所有在它周围的物体都被它的引力吸过去,所以黑洞可以形象地被看成是宇宙中的吸尘器。
从某种意义上来说,恒星与黑洞是相似的。二者都有一个虽然体积很小,但是十分致密的核。但是它们还是存在区别的。恒星会释放出能量,这些能量会传递到它周围的宇宙物质和其他天体上,从而让我们能够得以感知它的存在和运动。这种影响的范围被认为是恒星的组成部分,也就形成它的体积。所以从我们观察的角度来说,恒星的体积就很大。但是黑洞则不同,除了一个很小的核之外,我们几乎觉察不到它周围的物质。对于它所释放出的能量,我们的认识还十分不足,所以在我们的感知范围内,黑洞很小。
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