宇宙解码 - 宇宙中最神秘的天体,黑洞的分类和形成

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  要了解黑洞的形成,就必须得先掌握“史瓦西半径”这个概念。

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  史瓦西半径是任何具重力的质量之临界半径。在物理学和天文学中,尤其在万有引力理论、广义相对论中它是一个非常重要的概念。1916年卡尔·史瓦西首次发现了史瓦西半径的存在,他发现这个半径是一个球状对称、不自转的物体的重力场的精确解。

  一个物体的史瓦西半径与其质量成正比。

  通俗来讲,物体密度越高,表面引力越强,到达一个半径后光都逃不出去,这就是史瓦西半径,它是黑洞事件视界。

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  黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后,发生引力坍缩产生的。

  当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料,由中心产生的能量已经不多了。这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体。

  而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径),质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就诞生了。

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  黑洞的演化过程:

  黑洞就是中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小,热量无限大的奇点和周围一部分空空如也的天区,这个天区范围之内不可见。依据阿尔伯特-爱因斯坦的相对论,当一颗垂死恒星崩溃,它将聚集成一点,这里将成为黑洞,吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。

  黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程:某一个恒星在准备灭亡,核心在自身重力的作用下迅速地收缩,塌陷,发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星体,同时也压缩了内部的空间和时间。

  但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,连中子间的排斥力也无法阻挡。中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高质量而产生的引力,使得任何靠近它的物体都会被它吸进去。

  也可以简单理解为:通常恒星最初只含氢元素,恒星内部的氢原子核时刻相互碰撞,发生聚变。由于恒星质量很大,聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡,以维持恒星结构的稳定。由于氢原子核的聚变产生新的元素——氦元素,接着,氦原子也参与聚变,改变结构,生成锂元素。

  如此类推,按照元素周期表的顺序,会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成,直至铁元素生成,该恒星便会坍塌。

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  不同类型的黑洞,其来源也不同,黑洞大致有三类。

  
一类是微型黑洞,也叫量子黑洞

  理论上诞生于宇宙大爆炸初期,由刚刚生成的物质在宇宙初期的高密度下形成。这类黑洞质量并不大,大小只有一个基本粒子大小,质量只有数万吨到数十万吨。这类黑洞仅仅是理论预言,目前尚未发现。

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第二类是恒星级黑洞

  是由大质量恒星在演化末期,通过超新星爆炸的形式,恒星核引力坍缩形成的。这也是目前研究较多的一类黑洞。恒星演化理论认为,当大于太阳质量30倍以上的大质量恒星在演化末期,会发生一次超新星爆发。在爆发中,大量物质被抛出恒星,同时恒星核会收缩。

  当恒星核质量大于3.2倍太阳质量时(这个极限称为“奥本海默极限”),它将无可避免地坍缩为一个质量无限大、尺度无限小、表面脱离速度达到或大于光速的物体。由于任何靠近它的物体(包括光线)都会被它强大的引力吸引而无法逃脱,自身发出的光也无法离开它的表面,就像是一个黑色的无底洞一样,所以称为“黑洞”。

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第三类是星系中心的黑洞

  这类黑洞是在星系形成时,由于中心物质密度极高,引力极强,自身引力坍缩形成的。这类黑洞只存在于大型星系的中心,通常质量极大,达数十万到数千万倍太阳质量,甚至更大。例如,银河系中心就存在一个质量超大的黑洞,质量约为太阳的400万倍。

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今年早些时候发布的那张黑洞照片,也是一个星系中心的黑洞。这个黑洞位于M87星系当中,距离地球5300万光年之遥,质量相当于65亿颗太阳。

  

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