当前位置: 华文世界 > 科学

未知的宇宙:黑洞的形成和演化

2024-03-22科学

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。这个很小核却拥有最强大的吸引力,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,还会把所有靠近官的物质都吞噬掉。

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,不断地稀放出巨大的能量。因为恒星本身的质量十分巨大,所以有强大的引力,但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,就无法与自身引力相抗衡了,在巨大的引力作用下,恒星开始崩溃,并向内部剧烈坍缩。

技照元察周期表中原子量的顺序,各种新的元素不断形成,真到铁元素出现为止。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。

简而言之,恒星就是燃烧的黑洞,而黑洞就是熄灭的恒星。

一些质量较小的恒星,比如我们太阳系的太阳,当它内部的能量耗尽之后,质量如果小于1.44M,就会变成一个白矮星。中心的密度已经十分大,足以抵消自身的引力,这时将不再收缩。恒星剩余的热量会使它发光,随着热量的不断消耗,表面的温度也越来越低,直到熄灭,再也无法被我们观测到;

如果它的质量高于1.44M但是低于2M,那么就会演变为中子星。质量更大的红巨星在收缩到一定程度时会发生爆炸,这就是超新星爆发。超新星会将外层的物质向外释放,形成一片星云。它的内核则会继续收缩,最后成为中子星。

如果它的质量超过了2M,那么就无法达到最终的平衡状态,只会不断地向内坍缩。根据现有的知识我们无法确定它的密度,但是理沦上它会越来越致密,最后密度到达临界点。这时,它的质量和密度是如此之大,产生的引力能够抓住一切粒子,包括光都无法逃出区的引力选围。这时,它就成了一个黑洞。

(注释:M为太阳质量,文中超过2M即为超过两倍太阳质量)