黑洞行成的原因是什麼?

15周光華

黑洞本身是廣義相對論預言的天體。在廣義相對論之前,傳統的牛頓力學範疇中,就也有類似黑洞的概念。也就是當一個天體引力足夠強的時候,光無法逃出這個天體。這是用經典概念能推導的(大學本科物理就能推導)。

在廣義相對論構架下,黑洞的實質,是一個時空奇點。簡單的說,就是一個密度很大的區域。這個區域的大小,與黑洞的質量有關。

不同質量的黑洞,形成的機制不一樣。

理論上,在粒子對撞,或者宇宙早期,可能形成釐米級別的小黑洞。但,目前沒有強力的證據證明這一點。

其次,恆星級黑洞,目前認為最主要的機制是超新星爆發,大質量恆星的演化終點。這在觀測方面,證據比較充分。

另外雙星合併,雙中子星合併(碰撞)也能形成恆星質量大小的黑洞。

在球狀星團中,中心黑洞可能是恆星黑洞通過運動學方式,彼此合併而成。

至於星系級黑洞,可能是在星系長期演化過程中,恆星級黑洞不斷在星系中心合併;也可能是吸積盤作用下,星際物質把原來的黑洞喂大。這方面的模型,限於觀測,都還沒有足夠充分的證據。

不過總的來說,自1960年代X射線天體物理的發展,黑洞從一個理論模型,成為足夠觀測證據的天體,這是毋庸置疑的,而且這也是人類科學發展的巨大成就。

但黑洞研究本身,無論是理論,還是觀測資料,相比其他天體,都只能算剛剛起步。


令狐迦基

黑洞形成的原因,最被普遍接受和最權威的解釋來自史蒂芬·霍金研究成果。他的《The Theory of Everything: The Origin and Fate of the Universe 》(2005 by Phoenix Books)書中收錄了他在劍橋大學所作的關於黑洞的講學文稿。他解釋道:

黑洞這個術語是美國科學家約翰·惠勒在1969年創造出來的。

為了理解黑洞形成過程,先應弄明白恆星的生命週期。當大量的氣體(其中主要是氫)在自身引力作用下開始坍塌收縮,最終形成恆星。隨著氣體進一步收縮,其原子間的碰撞愈加頻繁,運動速度也愈加增大,其結果是氣體的溫度變得非常高,導致氫原子不再碰撞而是結合形成了氦原子。此種反應很像受控的氫彈,所釋放的熱量就是讓恆星發光發亮的原因。

一段時間裡恆星熱量和引力維持平衡,但最後恆星內部的氫和核燃料全部消耗光。隨後恆星便開始冷卻下來,並再次開始收縮,恆星表面的引力越來越強,恆星的時空向內彎曲的程度也越來越明顯。這個過程中,光要逃出恆星也越來越困難,對遠處的觀測者而言,星光變得暗紅。

最終,當恆星收縮到一個臨界半徑時,其表面引力將非常強,空間向內彎曲的程度非常厲害以致於光也逃不出來。根據相對論,任何物體的運動速度都不能超越光速。因此,假如光都無法逃逸,那麼任何其他物體也都不能向外逃逸了。這就存在一個事件集合,即一個時空區域,任何事物都不能從中逃逸出到達遠方的觀測者。我們把這個區域叫做黑洞,黑洞的邊界叫做事件視界。







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