黑洞是怎樣形成的黑洞演化過(guò)程
黑洞是怎樣形成的黑洞演化過(guò)程
黑洞是時(shí)空曲率大到光都無(wú)法從其視界逃脫的天體，導(dǎo)致黑洞形成需要哪些因素呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于黑洞是怎樣形成的內(nèi)容，希望大家喜歡!
黑洞的形成
形成過(guò)程
跟白矮星和中子星一樣，黑洞也是由恒星演化而來(lái)的。
當(dāng)一顆恒星衰老時(shí)，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料(氫)，由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒(méi)有足夠的力量來(lái)承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開(kāi)始坍縮，直到最后形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。
質(zhì)量小一些的恒星主要演化成白矮星，質(zhì)量比較大的恒星則有可能形成中子星。而根據(jù)科學(xué)家的計(jì)算，中子星的總質(zhì)量不能大于三倍太陽(yáng)的質(zhì)量。如果超過(guò)了這個(gè)值，將再?zèng)]有什么力能與自身重力相抗衡了，從而引發(fā)另一次大坍縮。根據(jù)科學(xué)家的猜想物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍，直至成為一個(gè)體積趨于零、密度趨向無(wú)限大的“點(diǎn)”。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度(史瓦西半徑)，巨大的引力就使得即使光也無(wú)法向外射出，從而切斷了恒星與外界的一切聯(lián)系——“黑洞”誕生了。
形成理論
任何兩個(gè)物體之間都存在這種吸引作用。物體之間的這種吸引作用普遍存在于宇宙萬(wàn)物之間，稱為萬(wàn)有引力。宇宙星體所產(chǎn)生的引力場(chǎng)(和星體的質(zhì)量及密度有關(guān))越大，從其表面逃逸所需的極限速度就越大。如果這個(gè)引力場(chǎng)大到某個(gè)極限，使以光速運(yùn)動(dòng)的物體也不能掙脫它的束縛而逃逸，那么人們將無(wú)法觀察到這個(gè)星體，僅能感受到它的引力效應(yīng)。巨大黑洞質(zhì)量可能是太陽(yáng)的幾十萬(wàn)、幾百萬(wàn)或幾千萬(wàn)倍 。由于他質(zhì)量無(wú)窮大，使得其他物體能脫離他的速度也需要很大。這個(gè)逃逸速度如果超過(guò)了光速，光也會(huì)被吸納。所以，光逃離不了。人們也就看不到黑洞。
黑洞的概述
黑洞是一個(gè)空間——時(shí)間區(qū)域，它的最外圍是光所能從黑洞向外到達(dá)的最遠(yuǎn)距離，這個(gè)邊界稱為“事件視界”。它如同一個(gè)單向的膜，只允許物質(zhì)穿過(guò)視界并落到黑洞里去，但沒(méi)有任何物質(zhì)能夠從里面出來(lái)。
“黑洞”很容易讓人望文生義地想象成一個(gè)“大黑窟窿”，其實(shí)不然。所謂“黑洞”，就是這樣一種天體：它的引力場(chǎng)是如此之強(qiáng)，就連光也不能逃脫出來(lái)。說(shuō)它“黑”，是指它就像宇宙中的無(wú)底洞，任何物質(zhì)一旦掉進(jìn)去，“似乎”就再不能逃出。實(shí)際上黑洞真正是“隱形”的。
黑洞的演化過(guò)程
黑洞就是中心的一個(gè)密度無(wú)限大、時(shí)空曲率無(wú)限高、體積無(wú)限小的奇點(diǎn)和周圍一部分空空如也的天區(qū)，這個(gè)天區(qū)范圍之內(nèi)不可見(jiàn)。依據(jù)阿爾伯特-愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，當(dāng)一顆垂死恒星崩潰，它將聚集成一點(diǎn)，這里將成為黑洞，吞噬鄰近宇宙區(qū)域的所有光線和任何物質(zhì)。
黑洞的產(chǎn)生過(guò)程類似于中子星的產(chǎn)生過(guò)程;某一個(gè)恒星在準(zhǔn)備滅亡，核心在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發(fā)生強(qiáng)力爆炸。當(dāng)核心中所有的物質(zhì)都變成中子時(shí)收縮過(guò)程立即停止，被壓縮成一個(gè)密實(shí)的星體，同時(shí)也壓縮了內(nèi)部的空間和時(shí)間。但在黑洞情況下，由于恒星核心的質(zhì)量大到使收縮過(guò)程無(wú)休止地進(jìn)行下去，中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來(lái)的是一個(gè)密度高到難以想象的物質(zhì)。由于高質(zhì)量而產(chǎn)生的力量，使得任何靠近它的物體都會(huì)被它吸進(jìn)去。黑洞開(kāi)始吞噬恒星的外殼，但黑洞并不能吞噬如此多的物質(zhì)，黑洞會(huì)釋放一部分物質(zhì)，射出兩道純能量——γ射線。
也可以簡(jiǎn)單理解：通常恒星的最初只含氫元素，恒星內(nèi)部的氫原子時(shí)刻相互碰撞，發(fā)生聚變。由于恒星質(zhì)量很大，聚變產(chǎn)生的能量與恒星萬(wàn)有引力抗衡，以維持恒星結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。由于聚變，氫原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)最終發(fā)生改變，破裂并組成新的元素——氦元素，接著，氦原子也參與聚變，改變結(jié)構(gòu)，生成鋰元素。如此類推，按照元素周期表的順序，會(huì)依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至鐵元素生成，該恒星便會(huì)坍塌。這是由于鐵元素相當(dāng)穩(wěn)定，參與聚變時(shí)不釋放能量，而鐵元素存在于恒星內(nèi)部，導(dǎo)致恒星內(nèi)部不具有足夠的能量與質(zhì)量巨大的恒星的萬(wàn)有引力抗衡，從而引發(fā)恒星坍塌，最終形成黑洞。說(shuō)它“黑”，是因?yàn)樗拿芏葻o(wú)窮大，從而產(chǎn)生的引力使得它周圍的光都無(wú)法逃逸。跟中子星一樣，黑洞也是由質(zhì)量大于太陽(yáng)質(zhì)量好幾倍以上的恒星演化而來(lái)的。
當(dāng)一顆恒星衰老時(shí)，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料(氫)，由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒(méi)有足夠的力量來(lái)承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開(kāi)始坍縮，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍，直到最后形成體積接近無(wú)限小、密度幾乎無(wú)限大的星體。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度(一定小于史瓦西半徑)，質(zhì)量導(dǎo)致的時(shí)空扭曲就使得即使光也無(wú)法向外射出——“黑洞”就誕生了。
吸積
黑洞通常是因?yàn)樗鼈兙蹟n周圍的氣體產(chǎn)生輻射而被發(fā)現(xiàn)的，這一過(guò)程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會(huì)嚴(yán)重影響吸積流的幾何與動(dòng)力學(xué)特性。觀測(cè)到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當(dāng)吸積氣體接近中央黑洞時(shí)，它們產(chǎn)生的輻射對(duì)黑洞的自轉(zhuǎn)以及視界的存在極為敏感。對(duì)吸積黑洞光度和光譜的分析為旋轉(zhuǎn)黑洞和視界的存在提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。數(shù)值模擬也顯示吸積黑洞經(jīng)常出現(xiàn)相對(duì)論噴流也部分是由黑洞的自轉(zhuǎn)所驅(qū)動(dòng)的。
通常天體物理學(xué)家會(huì)用“吸積”這個(gè)詞來(lái)描述物質(zhì)向中央引力體或者是中央延展物質(zhì)系統(tǒng)的流動(dòng)。吸積是天體物理中最普遍的過(guò)程之一，而且也正是因?yàn)槲e才形成了我們周圍許多常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。在宇宙早期，當(dāng)氣體朝由暗物質(zhì)造成的引力勢(shì)阱中心流動(dòng)時(shí)形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由氣體云在其自身引力作用下坍縮碎裂，進(jìn)而通過(guò)吸積周圍氣體而形成的。行星(包括地球)也是在新形成的恒星周圍通過(guò)氣體和巖石的聚集而形成的。當(dāng)中央天體是一個(gè)黑洞時(shí)，吸積就會(huì)展現(xiàn)出它最為壯觀的一面。黑洞除了吸積物質(zhì)之外，還通過(guò)霍金蒸發(fā)過(guò)程向外輻射粒子。
蒸發(fā)
由于黑洞的密度極大，根據(jù)公式我們可以知道密度=質(zhì)量/體積，為了讓黑洞密度無(wú)限大，那就說(shuō)明黑洞的體積要無(wú)限小，然后質(zhì)量要無(wú)限大，這樣才能成為黑洞。黑洞是由一些恒星“滅亡”后所形成的死星，它的質(zhì)量極大，體積極小。但黑洞也有滅亡的那天，按照霍金的理論，在量子物理中，有一種名為“隧道效應(yīng)”的現(xiàn)象，即一個(gè)粒子的場(chǎng)強(qiáng)分布雖然盡可能讓能量低的地方較強(qiáng)，但即使在能量相當(dāng)高的地方，場(chǎng)強(qiáng)仍會(huì)有分布，對(duì)于黑洞的邊界來(lái)說(shuō)，這就是一堵能量相當(dāng)高的勢(shì)壘，但是粒子仍有可能出去。
霍金還證明，每個(gè)黑洞都有一定的溫度，而且溫度的高低與黑洞的質(zhì)量成反比例。也就是說(shuō)，大黑洞溫度低，蒸發(fā)也微弱;小黑洞的溫度高蒸發(fā)也強(qiáng)烈，類似劇烈的爆發(fā)。相當(dāng)于一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，大約要1后面66個(gè)0年才能蒸發(fā)殆盡;相當(dāng)于一顆小行星質(zhì)量的黑洞會(huì)在1小數(shù)點(diǎn)后面21個(gè)0加1012秒內(nèi)蒸發(fā)得干干凈凈。
毀滅
黑洞會(huì)發(fā)出耀眼的光芒，體積會(huì)縮小，甚至?xí)?。?dāng)英國(guó)物理學(xué)家史蒂芬·霍金于1974年做此預(yù)言時(shí)，整個(gè)科學(xué)界為之震動(dòng)。霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍，他結(jié)合了廣義相對(duì)論和量子理論，他發(fā)現(xiàn)黑洞周圍的引力場(chǎng)釋放出能量，同時(shí)消耗黑洞的能量和質(zhì)量。
假設(shè)一對(duì)粒子會(huì)在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)被創(chuàng)生，被創(chuàng)生的粒子就是正粒子與反粒子，而如果這一創(chuàng)生過(guò)程發(fā)生在黑洞附近的話就會(huì)有兩種情況發(fā)生：兩粒子湮滅、一個(gè)粒子被吸入黑洞。“一個(gè)粒子被吸入黑洞”這一情況：在黑洞附近創(chuàng)生的一對(duì)粒子其中一個(gè)反粒子會(huì)被吸入黑洞，而正粒子會(huì)逃逸，由于能量不能憑空創(chuàng)生，我們?cè)O(shè)反粒子攜帶負(fù)能量，正粒子攜帶正能量，而反粒子的所有運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以視為是一個(gè)正粒子的為之相反的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如一個(gè)反粒子被吸入黑洞可視為一個(gè)正粒子從黑洞逃逸。這一情況就是一個(gè)攜帶著從黑洞里來(lái)的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的總能量少了，而愛(ài)因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的損失會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量的損失。
當(dāng)黑洞的質(zhì)量越來(lái)越小時(shí)，它的溫度會(huì)越來(lái)越高。這樣，當(dāng)黑洞損失質(zhì)量時(shí)，它的溫度和發(fā)射率增加，因而它的質(zhì)量損失得更快。這種“霍金輻射”對(duì)大多數(shù)黑洞來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，因?yàn)榇蠛诙摧椛涞谋容^慢，而小黑洞則以極高的速度輻射能量，直到黑洞的爆炸。
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