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普通天文學/黑洞的生命

來自華夏公益教科書
足夠大的恆星坍縮會導致超新星。

在本小節中,我們將探討黑洞的生命週期,從它在死星的火焰中誕生,到它逐漸在宇宙的邊緣消散。

誕生 - 第一部分

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從黑洞形成的那一刻開始,也就是一顆足夠巨大的恆星死亡後的那一刻開始,按時間順序進行描述是最有意義的。然而,在這之前,我們必須首先了解是什麼導致了這顆恆星的死亡。簡而言之,當一顆恆星的溫度不再足以阻止它在自身引力下坍縮時,它就會坍縮。導致這種平衡失效的原因有兩個。更常見的原因是,當一顆恆星燃燒完所有的核燃料和元素“燃料”時,它就無法再維持必要的溫度,從而導致所謂的“引力坍縮”。這種溫度、壓力和體積之間不平衡的第二個可能原因是,恆星以某種方式吸收了大量額外的質量,而沒有導致核心溫度的必要增加來支撐額外的質量。

無論哪種方式,恆星現在都不再擁有阻止坍縮所需的溫度。恆星的核心被壓縮得如此之緊,以至於形成了所謂的簡併態物質,它本質上是高度壓縮的物質,以至於產生支撐壓力的排斥力來自量子力學效應,而不是來自正常物質的同種電荷之間通常的排斥力。它包含的粒子非常密集。坍縮通常會引發後續事件,如超新星或氣體碎片形成行星狀星雲(氣體和等離子體的殼層),它們會剝落恆星的外層。坍縮和後續事件後剩下的殘餘物會形成幾種“緻密星”中的一種。這些包括白矮星、中子星,當然還有黑洞。要使黑洞成為結果,殘餘物必須具有足夠的質量;這個質量有多大是由“托爾曼-奧本海默-沃爾科夫極限”定義的,該極限是由尤利烏斯·羅伯特·奧本海默和喬治·邁克爾·沃爾科夫在 1939 年計算出來的。超過這個極限,引力比相反的壓力更大,當殘餘物的外半徑小於其史瓦西半徑時,黑洞就完全形成了。

黑洞就這樣從一顆破碎的恆星的灰燼中誕生,它的誕生就完成了。

在繼續之前,最後一點需要說明的是,黑洞形成的第二種方式雖然更罕見,但也是存在的:兩顆中子星(另一種“緻密星”)的碰撞有時會導致黑洞的形成。然而,這種碰撞並不常見,因此這種黑洞誕生的第二種可能原因並不總是被列入黑洞形成的簡要總結中。

黑洞吞噬了一顆偏離事件視界的恆星。

生命 - 第二部分

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黑洞的壽命無法計算,它們的持續時間只能預測,而無法證明。因此,泛化是不可避免的。

當黑洞漂浮在太空中時,它們就像真空吸塵器一樣存在,吸入它們遇到的所有物質,並不斷地增長。隨著它們吞噬,恆星黑洞——由恆星屍體的灰燼形成——不斷長大,透過一個叫做吸積的過程變得更大。這指的是由於引力的吸引,大型天體不斷增長。那些吞噬了許多恆星、行星、星際物質甚至其他黑洞的黑洞,其體積往往會比一般的恆星黑洞大得多。黑洞在特定位置吞噬多久取決於它吞噬的是什麼。黑洞吞噬大型恆星通常需要數十億年,而吞噬較小的物體——如小行星、小型行星或衛星——則需要相對較短的時間。

黑洞及其吸積盤的模擬檢視。

死亡 - 第三部分

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下一部分不可避免地進入理論領域。由於除了微型黑洞外,所有黑洞的預計壽命都比宇宙當前的年齡長得多,因此黑洞的死亡可能還沒有發生。

霍金輻射理論認為,每個黑洞,經過很長一段時間後,最終會蒸發成虛無。到目前為止,這是關於黑洞蒸發的少數幾個理論之一,仍然是一個爭論不休的話題。我們將在這裡討論這個理論。

即使在完全的真空空間中,也存在能量。量子力學認為,即使是真正的真空也不是空的,因為事實上它是一個零點能量的海洋。這部分能量像海浪一樣波動。這些波動不斷產生一對粒子——一個正常物質粒子,一個反粒子——它們相遇並重新轉化為純能量,恢復了海洋中的平衡。

現在,霍金輻射理論指出,如果這樣的一對粒子是在黑洞的事件視界之外形成的,並且其中一個粒子越過事件視界,而另一個粒子逃逸,那麼黑洞就會損失一小部分質量,因為為了保持“總能量”(一個物體的靜止能量、勢能和動能之和),落入黑洞的粒子必然具有負能量。

然而,只有最小的黑洞才有可能以這種方式蒸發,因為比地球月球大得多的黑洞,其宇宙微波背景輻射——充滿整個宇宙的電磁輻射——的恆定攝入量要大於其透過霍金輻射發射的量。事實上,目前還沒有發現,也沒有預測到任何接近我們月球質量的黑洞,因此,就目前而言,霍金輻射在技術上並不是我們當前宇宙中蒸發的可行原因。

然而,充滿空間的宇宙微波背景輻射正在慢慢減弱。最終,它會變得如此微弱,以至於即使是最巨大的黑洞也會透過霍金輻射發射出比吸收的更多的能量。以這種方式,大約經過一古戈爾(10100)年,即使是最巨大的黑洞也會蒸發。

因此,黑洞的生命在它迴歸虛無,消失在宇宙深處時結束。

華夏公益教科書