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黑洞,它是一种质量及引力很大的天体,从字面意思可以理解为看不见的“无底洞”。因为连光子“掉入”都无法“逃出”的“无底洞”,没有光子出来,所以我们就看不见它。

什么是黑洞,黑洞是如何形成的?

电影《星际穿越》中的黑洞

关于提出黑洞的历史

最早提出黑洞问题的是英国地理学家约翰·米歇尔(John Michell),他在1783年提出,如果一颗天体拥有与太阳同等质量,且该天体直径只有约3千米,那么此天体表面的引力是十分巨大的,大到连宇宙最快的光子也无法逃脱其表面。

此外,法国物理学家拉普拉斯曾在1796年预言:“如果一颗天体质量约为太阳的250倍,直径和地球相当,那么这个天体表面的引力将变得非常大,连光也不能逃脱。”

直到20世纪爱因斯坦发表广义相对论后,我们对黑洞理论有了许多新的认知,如知晓了黑洞形成的必然条件,以及黑洞特有的3个物理特性等等。

什么是黑洞,黑洞是如何形成的?

 

美国劳伦斯利佛摩国家实验室的研究指出,中型黑洞可能可以让已经死亡的白矮星“复活”。图为一个黑洞吸入邻近蓝色恒星的物质的示意图。(图:NASA)

黑洞的概述

黑洞是一个时空的区域,它会表现出非常强烈的引力效应,以至于任何粒子和电磁辐射,例如光子,都无法从黑洞内部逃逸出来。广义相对论理论预言,足够致密的质量能够使时空弯曲,从而形成不可能逃脱的区域边界,这被称为事件视界。简单的说,这里是信息的终点,你无法将信息传达出去。

目前还没有直接观测到黑洞的证据,不过可以从黑洞周围影响的时空入手,找到黑洞的间接证据,如黑洞影响周围的恒星时,由于黑洞强大的引力,导致恒星的物质会落入黑洞中,黑洞与恒星之间会形成吸积气盘。在这一过程恒星的物质会被加热辐射出能量(X射线),从而被我们所观测到。这里需要知晓的是,目前并没有真正的发现黑洞,只是发现了类似黑洞的候选者。

 

什么是黑洞,黑洞是如何形成的?

X射线双星系统中的巨星-吸积盘示意图

黑洞的形成

黑洞是由临界值以上的大质量恒星“死亡”后形成的一种特殊天体,最初,一般典型的恒星,如太阳,它们是靠氢聚变维持能源的。随后氢耗尽,由于重力的压进,核心的环境变得氦开始聚变。质量更大的恒星,会向更重的元素进行核聚变,直到铁为止。根据理论,如果一颗恒星的核心质量大于等于3.2倍太阳质量时,那么再也没有什么能量(斥力)可以抵抗自身的重力了,重力便开始向中心无限的坍缩,而后便形成了“黑洞”,黑洞的中心将趋向于一个奇点。

目前形成黑洞的有2个经典的极限值,第一个是奥本海默-沃尔科夫极限(冷中子星的质量上限),该极限值接近于2.17倍太阳质量。如果一颗冷中子星超过了此极限值,那么它很有可能因强大引力而坍缩成一个黑洞。第2个就是著名的史瓦西半径,史瓦西半径是指当物体被压缩至一个临界半径值时,就会形成一个黑洞。严格的讲是一个球状对称、不自转且不带电荷的物体重力场值,一个特定质量的物体被压缩到该值时,自身的重力可以无束缚的压缩至奇点。理论上,太阳的史瓦西半径约为3千米,地球的史瓦西半径只有约9毫米。一颗大于等于3.2倍太阳质量的天体,如果压缩至它的史瓦西半径内,那么它就形成黑洞了。

什么是黑洞,黑洞是如何形成的?

互相绕着旋转的两个黑洞。最终两个黑洞将融合,产生引力波。(绘图:Alamy Stock Photo)

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