霍金:黑洞到底是什麼?

霍金:黑洞到底是什麼?

01

“黑洞”這個詞很容易讓人聯想到“大黑窟窿”,其實不然,黑洞不僅不是一個空空如也的大窟窿,而且它的質量和密度之大,產生的引力之強,就連光也不能從中逃脫。

黑洞如何形成

之所以被稱作黑洞,是因為它會將包括光在內的位於它邊界內的一切事物吞噬,我們看不到它的存在。我們要了解它,只能通過受到它影響的周圍物體來間接瞭解。

當一顆恆星衰老時,它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料,它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。在外殼的重壓之下,核心就會開始坍縮,直到最後形成體積小、密度大的星體,重新有能力與壓力平衡。如果其總質量大於三倍太陽的質量,就會引發一次大坍縮。物質將不可阻擋地向著中心點進軍,直至成為一個體積趨於零、密度趨向無限大的“點”。而當它的半徑一旦收縮到一定程度,巨大的引力就使得即使光也無法向外射出,黑洞就誕生了。

非星黑洞

英國天體物理學家霍金還提出,存在另一種類型的非星黑洞。根據他的理論,大爆炸期間,宇宙處在極高的溫度和極大的密度狀態,那時有可能產生為數眾多的微型原生黑洞。但這種微型黑洞和大質量黑洞不同,它們不斷地損失質量直到消失。在一個微型黑洞的極近處,可以形成諸如質子和反質子這類粒子。當一個質子和一個反質子從微型黑洞的引力中逃逸,它們就會湮滅併產生能量。也就是說,它們從黑洞中帶走了能量。如果這一過程一再重複,微型黑洞則耗損掉它的全部能量,最終就是黑洞被“蒸發”了。

恆星的死亡

(1)恆星在動態均衡中燃燒幾十億年,發出光和熱

(2)恆星燒盡了它的燃料,氫全變成了氦,輻射也沒了。恆星可能會發生爆炸,形成紅巨星或超新星。

(3)引力再次壓縮,再沒有和它相抵抗的力了。後面會發生什麼,取決於恆星的初始質量。如果恆星質量大於3倍太陽質量,那麼就沒什麼可以阻止恆星收縮成黑洞了。恆星將完全坍縮,直至從人們視線中消失。如果恆星質量大於1.4倍太陽質量,引力將勝過電子的斥力,將電子推進原子核內,電子就會和質子結合形成中子。如果恆星質量小於3倍太陽質量,中子的斥力就會阻止收縮。

02

類星體那麼小的體積為什麼能發出巨大的能量,為了解釋這個疑團,科學家們提出了許多理論模型,活動星系核模型就是其中之一。

活動星系

活動星系又稱激擾星系,有一個處於劇烈活動狀態的核。活動星系核在許多方面都與類星體相似,比如它的體積也很小,光譜中也有很強的發射線,發出各種波段的輻射,經常有光變和爆發現象等等。

有科學家認為,類星體可能是某種活動星系,觀測到的類星體現象是星系核的活動,由於它的光芒過於明亮,掩蓋了宿主星系相對暗淡的光線,所以宿主星系之前並沒有引起人們的注意。當然,類星體的內部活動會比一般的活動星系更為劇烈,功率更大。

類星體的核心是黑洞

活動星系核模型認為,類星體的核心位置有一個超大質量的黑洞,在黑洞強大的引力作用下,附近的塵埃、氣體以及一部分恆星物質圍繞在黑洞周圍,形成了一個高速旋轉的巨大的吸積盤。

在吸積盤內側靠近黑洞視界的地方,物質掉入黑洞裡,伴隨著巨大的能量輻射,形成了物質噴流。而強大的磁場又約束著這些物質噴流,使它們只能夠沿著磁軸的方向,通常是與吸積盤平面相垂直的方向高速噴出。如果這些噴流剛好對著觀察者,就會被觀測到。

類星體與一般的那些“平靜”的星系核的不同之處在於,類星體是年輕的、活躍的星系核。由類星體具有較大的紅移值,距離很遙遠這一事實可以推想,我們所看到的類星體實際上是它們許多年以前的樣子。隨著星系核心附近“燃料”逐漸耗盡,類星體將會演化成普通的旋渦星系和橢圓星系。

類星體的各種模型

(1)黑洞假說:類星體的中心是一個巨大的黑洞,它不斷地吞噬周圍的物質,並且輻射出能量。

(2)白洞假說:與黑洞一樣,白洞同樣是廣義相對論預言的一類天體。與黑洞不斷吞噬物質相反,白洞源源不斷地輻射出能量和物質。

(3)反物質假說:認為類星體的能量來源於宇宙中的正反物質的湮滅。

(4)巨型脈衝星假說:認為類星體是巨型的脈衝星,磁力線的扭結造成能量的噴發。

(5)近距離天體假說:認為類星體並非處於遙遠的宇宙邊緣,而是在銀河系邊緣高速向外運動的天體,其巨大的紅移是由和地球相對運動的多普勒效應引起的。


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