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ps︰黑洞(blackhole)是現代廣義相對論中,宇宙空間內存在的一種超高密度天體,由于它是完全不反射光線的黑體,故名為黑洞。
http://www.kmwx.net/Book/0/1/黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡而“死亡”後,發生引力坍縮產生的。黑洞的質量極其巨大,而體積卻十分微小,它產生的引力場極為強勁,以至于任何物質和輻射在進入到黑洞的視界(臨界點)內,便再無力逃脫。
一、黑洞
黑洞(blackhole)是現代廣義相對論中,宇宙空間內存在的一種超高密度天體,由于它是完全不反射光線的黑體,故名為黑洞。黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡而“死亡”後,發生引力坍縮產生的。黑洞的質量極其巨大,而體積卻十分微小,它產生的引力場極為強勁,以至于任何物質和輻射在進入到黑洞的視界(臨界點)內,便再無力逃脫。黑洞無法直接觀測,但可以借由間接方式得知其存在與質量,並且觀測到它對其他事物的影響。借由物體被吸入之前,因高熱而放出紫外線和x射線的“邊緣訊息”,可以獲取黑洞存在的訊息。推測出黑洞的存在也可借由間接觀測恆星或星際雲氣團繞行黑洞軌跡,來取得位置以及質量。
二、產生過程
黑洞就是中心的一個密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小的奇點和周圍一部分空空如也的天區,這個天區範圍之內不可見。黑洞的產生過程類似于中子星的產生過程;某一個恆星在準備滅亡,核心在自身重力的作用下迅速地收縮。塌陷。發生強力爆炸。當核心中所有的物質都變成中子時收縮過程立即停止。被壓縮成一個密實的星體,同時也壓縮了內部的空間和時間。但在黑洞情況下,由于恆星核心的質量大到使收縮過程無休止地進行下去,中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末,剩下來的是一個密度高到難以想象的物質。由于高質量而產生的力量,使得任何靠近它的物體都會被它吸進去。黑洞開始吞噬恆星的外殼,但黑洞並不能吞噬如此多的物質,黑洞會釋放一部分物質。射出兩道純能量——γ射線。
也可以簡單理解︰通常恆星的最初只含氫元素,恆星內部的氫原子時刻相互踫撞,發生聚變。
由于恆星質量很大,聚變產生的能量與恆星萬有引力抗衡,以維持恆星結構的穩定。由于聚變,氫原子內部結構最終發生改變,破裂並組成新的元素——氦元素,接著,氦原子也參與聚變,改變結構。生成鋰元素。如此類推,按照元素周期表的順序。會依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成,直至鐵元素生成,該恆星便會坍塌。這是由于鐵元素相當穩定,參與聚變時不釋放能量,而鐵元素存在于恆星內部,導致恆星內部不具有足夠的能量與質量巨大的恆星的萬有引力抗衡,從而引發恆星坍塌,最終形成黑洞。說它“黑”,是因為它的密度無窮大,從而產生的引力使得它周圍的光都無法逃逸。跟中子星一樣,黑洞也是由質量大于太陽質量好幾倍以上的恆星演化而來的。
當一顆恆星衰老時,它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料(氫),由中心產生的能量已經不多了。這樣,它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下,核心開始坍縮,物質不可阻擋地向著中心點進軍,直到最後形成體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。而當它的半徑一旦收縮到一定程度(一定小于史瓦西半徑),質量導致的時空扭曲就使得即使光也無法向外射出——“黑洞”就誕生了。
三、表現形式
恆星的時空扭曲改變了光線的路徑,使之和原先沒有恆星情況下的路徑不一樣。光在恆星表面附近稍微向內偏折,在日食時觀察遠處恆星發出的光線,可以看到這種偏折現象。當該恆星向內坍塌時,其質量導致的時空扭曲變得很強,光線向內偏折得也更強,從而使得光線從恆星逃逸變得更為困難。對于在遠處的觀察者而言,光線變得更黯淡更紅。最後,當這恆星收縮到某一臨界半徑(史瓦西半徑)時,其質量導致時空扭曲變得如此之強,使得光向內偏折得也如此之強,以至于光線再也逃逸不出去。這樣,如果光都逃逸不出來,其他東西更不可能逃逸,都會被拉回去。也就是說,存在一個事件的集合或時空區域,光或任何東西都不可能從該區域逃逸而到達遠處的觀察者,這樣的區域稱作黑洞。將其邊界稱作事件視界,它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。
與別的天體相比,黑洞十分特殊。人們無法直接觀察到它,科學家也只能對它內部結構提出各種猜想。而使得黑洞把自己隱藏起來的的原因即是彎曲的時空。根據廣義相對論,時空會在引力場作用下彎曲。這時候,光雖然仍然沿任意兩點間的最短光程傳播,但相對而言它已彎曲。在經過大密度的天體時,時空會彎曲,光也就偏離了原來的方向。
黑洞在地球上,由于引力場作用很小,時空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周圍,時空的這種變形非常大。這樣,即使是被黑洞擋著的恆星發出的光,雖然有一部分會落入黑洞中消失,可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。觀察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一樣,這就是黑洞的隱身術。
四、巨型黑洞
宇宙中大部分星系,包括我們居住的銀河系的中心都隱藏著一個超大質量黑洞。這些黑洞質量大小不一,大約一百萬∼一百億個太陽質量。天文學家們通過探測黑洞周圍吸積盤發出的強烈輻射推斷這些黑洞的存在。物質在受到強烈黑洞引力下落時,會在其周圍形成吸積盤盤旋下降,在這一過程中勢能迅速釋放,將物質加熱到極高的溫度,從而發出強烈輻射。黑洞通過吸積方式吞噬周圍物質,這可能就是它的成長方式。
五、演化過程
吸積
黑洞黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的,這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會嚴重影響吸積流的幾何與動力學特性。觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當吸積氣體接近中央黑洞時,它們產生的輻射對黑洞的自轉以及視界的存在極為敏感。對吸積黑洞光度和光譜的分析為旋轉黑洞和視界的存在提供了強有力的證據。數值模擬也顯示吸積黑洞經常出現相對論噴流也部分是由黑洞的自轉所驅動的。
通常天體物理學家會用“吸積”這個詞來描述物質向中央引力體或者是中央延展物質系統的流動。吸積是天體物理中最普遍的過程之一,而且也正是因為吸積才形成了我們周圍許多常見的結構。在宇宙早期,當氣體朝由暗物質造成的引力勢阱中心流動時形成了星系。恆星依然是由氣體雲在其自身引力作用下坍縮碎裂,進而通過吸積周圍氣體而形成的。行星(包括地球)也是在新形成的恆星周圍通過氣體和岩石的聚集而形成的。當中央天體是一個黑洞時,吸積就會展現出它最為壯觀的一面。黑洞除了吸積物質之外,還通過霍金蒸發過程向外輻射粒子。
六、蒸發
由于黑洞的密度極大,根據公式我們可以知道密度=質量/體積,為了讓黑洞密度無限大,那就說明黑洞的體積要無限小,然後質量要無限大,這樣才能成為黑洞。黑洞是由一些恆星“滅亡”後所形成的死星,它的質量極大,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”的現象,即一個粒子的場強分布雖然盡可能讓能量低的地方較強,但即使在能量相當高的地方,場強仍會有分布,對于黑洞的邊界來說,這就是一堵能量相當高的勢壘,但是粒子仍有可能出去。
霍金還證明,每個黑洞都有一定的溫度,而且溫度的高低與黑洞的質量成反比例。也就是說,大黑洞溫度低,蒸發也微弱;小黑洞的溫度高蒸發也強烈,類似劇烈的爆發。一個太陽大的黑洞,大約要1後面66個0年才能蒸發殆盡;一顆小行星大小的黑洞會在1小數點後面21個0加1秒內蒸發得干干淨淨。
七、毀滅
黑洞會發出耀眼的光芒,體積會縮小,甚至會爆炸。(未完待續。。)