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宇宙中的黑洞是什么?

宇宙中的黑洞是什么?

黑洞本质上也是天体。但它是一类特殊的天体。

如果是恒星级黑洞,那黑洞是大质量恒星演化后期,经过超新星爆发的方式快速抛去其外层气体后,经过引力坍缩的恒星核。

知道第二宇宙速度吧?就是从一个星球表面出发,摆脱一个星球的引力,到宇宙空间去所需要的速度,也叫脱离速度或逃逸速度。地球的第二宇宙速度是11.2千米/秒。就是说,如果从地球上发射一个航天器,如果它的速度达到或超过了11.2/秒,它就能摆脱地球的引力,成为一个在太阳系中遨游的航天器了。

不同质量的星球有不同的脱离速度。从万有引力定律就能看出,星球的质量越大,引力越强,摆脱这个星球引力所需要的速度就越高。同时,对于质量相同的星球来说,星球的半径越小,密度越大,引力也越强,表面脱离速度也越高。比如,月球的质量、密度和半径都比地球小,它的逃逸速度就只有2.4千米/秒,而太阳要比地球大得多,所以太阳的逃逸速度高达617.7千米/秒。

宇宙中能够达到的最高速度是光速。早在17世纪,就有欧洲科学家提出,可以设想一种星球,它的质量足够大、引力足够强、半径足够小、密度足够高,使它的表面脱离速度达到光速,那么从这个星球上发出的光线就无法脱离星球表面,跑到星球外边去;外来的任何物质,包括光线也会被这个星球完全吸收,不会有光线反射出来。这时,这个星球不管能发出多强的光,都不可能被看到--它是黑的。

就是说,用牛顿力学解释,黑洞就是表面逃逸速度大于等于光速的天体。

用爱因斯坦相对论来解释,因为质量能够使时空结构变形或扭曲,改变时空的曲率。而黑洞是时空曲率大到自我封闭,使进入的任何物质,包括光都无法从其事件视界逃脱的天体。

上一张图是黑洞的牛顿解释,就是引力能弯曲光线。下一张图是黑洞的爱因斯坦解释,就是黑洞是宇宙中时空弯曲到自我封闭的一个区域。两张图中的各条光线可以一一对应。

一颗恒星要变成一个黑洞,是有条件的。要形成黑洞,其原恒星的质量不能小于7倍太阳质量,并且引力坍缩的恒星核质量不能小于3.4倍太阳质量。

大质量恒星到了演化的晚期,会成为一颗红超巨星。当恒星中的所有核聚变原料都用完时,恒星中的核聚变反应停止,恒星核中全是铁元素,向外阻止恒星收缩的辐射压消失,恒星外面的物质就会向内急剧收缩,在撞到中心的铁核时,由于铁核不能被压缩,这些物质就像是撞到一堵无比坚硬的墙,就会以几乎的速度被反弹出去,反向冲出恒星,好像是恒星发生了一次无比巨大的爆炸一样。这种现象叫超新星爆发。超新星爆发会使恒星损失大部分质量,只剩下少部分的恒星核,在外面物质的撞击能量下继续收缩。此时,如果剩下的恒星核的质量大于3.2倍太阳质量,它就会在引力作用下坍缩为一个密度无限大、尺度无限小的点,这个点叫奇点。由于它的半径是零,而密度又无限大,它的引力就可以强大到连光线都能够吸引住。或者说,它周围的时空已经弯曲到它自身周围,自我封闭了起来,并形成的一个区域,叫视界。任何进入视界的物质和光线都无法再离开,自身发出的光线也无法脱离。这个区域就成为了一个黑洞。

这就是黑洞。

理论上,除了大质量恒星演化到末期能够形成黑洞外,在宇宙大爆炸极早期,物质刚刚形成时,因为物质密度过高,也可能形成一些大小如同一个基本粒子、质量如同一座大山的极小的黑洞,叫量子黑洞。但这种黑洞目前还没有发现。另外就是在星系中心,同样由于物质密度极高,在星系形成时也会在星系中心形成一个极大质量黑洞。例如,在我们银河系中心,就有一个质量为太阳质量400多万倍的超大质量黑洞。大多数星系中心都有这样一个黑洞。

宇宙中的黑洞是超级恒星,或者是恒星的移动中心,总之黑洞的质量足够大。足够大使黑洞光谱跑出可见光光谱,成为紫外线以外的电磁波,所以无法看见。又由于距离我们足够远,致使我们毫无感觉,一无所知。

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