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黑洞是怎么形成的

小故事 2020-09-22 19 浏览 0 评论

黑洞是一种天体,时空曲率大到光都无法逃脱。当一颗恒星没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量,在外壳的重压之下,核心开始坍缩,物质将不可阻挡地向着中心点方向,时空扭曲就使得即使光也无法向外射出,于是黑洞就产生了。

与别的天体相比,黑洞十分特殊。人们无法直接观察到它,科学家也只能对它内部结构提出各种猜想。而使得黑洞把自己隐藏起来的的原因即是弯曲的时空。根据广义相对论,时空会在引力场作用下弯曲。这时候,光虽然仍然沿任意两点间的最短光程传播,但相对而言它已弯曲。在经过大密度的天体时,时空会弯曲,光也就偏离了原来的方向。

在地球上,由于引力场作用很小,时空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周围,时空的这种变形非常大。这样,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落入黑洞中消失,可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样,这就是黑洞的隐身术。

黑洞由中心的一个由黎曼曲率张量出发构建的标量多项式在趋向此处发散的奇点和周围的时空组成,其边界为只进不出的单向膜:事件视界,事件视界的范围之内不可见。依据爱因斯坦的广义相对论,当一颗垂死恒星崩溃,它将向中心塌缩,这里将成为黑洞,吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。

黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程:某一个恒星在准备灭亡,核心在自身重力的作用下迅速地收缩,塌陷,发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星体,同时也压缩了内部的空间和时间。但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,连中子间的排斥力也无法阻挡。中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高质量而产生的引力,使得任何靠近它的物体都会被它吸进去。

也可以简单理解为:通常恒星最初只含氢元素,恒星内部的氢原子核时刻相互碰撞,发生聚变。由于恒星质量很大,聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡,以维持恒星结构的稳定。由于氢原子核的聚变产生新的元素氦元素,接着,氦原子也参与聚变,改变结构,生成锂元素。如此类推,按照元素周期表的顺序,会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成,直至铁元素生成,该恒星便会坍塌。

这是由于铁元素相当稳定,参与聚变时释放的能量小于所需能量,因而聚变停止,而铁元素存在于恒星内部,导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡,从而引发恒星坍塌,最终形成黑洞。说它“黑”,是因为它产生的引力使得它周围的光都无法逃逸。跟中子星一样,黑洞也是由质量大于太阳质量好几十甚至几百倍以上的恒星演化而来的。

当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料,由中心产生的能量已经不多了。这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径),质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出“黑洞”就诞生了。

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