普通天文学/黑洞的生命
在本小节中,我们将探讨黑洞的生命周期,从它在死星的火焰中诞生,到它逐渐在宇宙的边缘消散。
从黑洞形成的那一刻开始,也就是一颗足够巨大的恒星死亡后的那一刻开始,按时间顺序进行描述是最有意义的。然而,在这之前,我们必须首先了解是什么导致了这颗恒星的死亡。简而言之,当一颗恒星的温度不再足以阻止它在自身引力下坍缩时,它就会坍缩。导致这种平衡失效的原因有两个。更常见的原因是,当一颗恒星燃烧完所有的核燃料和元素“燃料”时,它就无法再维持必要的温度,从而导致所谓的“引力坍缩”。这种温度、压力和体积之间不平衡的第二个可能原因是,恒星以某种方式吸收了大量额外的质量,而没有导致核心温度的必要增加来支撑额外的质量。
无论哪种方式,恒星现在都不再拥有阻止坍缩所需的温度。恒星的核心被压缩得如此之紧,以至于形成了所谓的简并态物质,它本质上是高度压缩的物质,以至于产生支撑压力的排斥力来自量子力学效应,而不是来自正常物质的同种电荷之间通常的排斥力。它包含的粒子非常密集。坍缩通常会引发后续事件,如超新星或气体碎片形成行星状星云(气体和等离子体的壳层),它们会剥落恒星的外层。坍缩和后续事件后剩下的残余物会形成几种“致密星”中的一种。这些包括白矮星、中子星,当然还有黑洞。要使黑洞成为结果,残余物必须具有足够的质量;这个质量有多大是由“托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限”定义的,该极限是由尤利乌斯·罗伯特·奥本海默和乔治·迈克尔·沃尔科夫在 1939 年计算出来的。超过这个极限,引力比相反的压力更大,当残余物的外半径小于其史瓦西半径时,黑洞就完全形成了。
黑洞就这样从一颗破碎的恒星的灰烬中诞生,它的诞生就完成了。
在继续之前,最后一点需要说明的是,黑洞形成的第二种方式虽然更罕见,但也是存在的:两颗中子星(另一种“致密星”)的碰撞有时会导致黑洞的形成。然而,这种碰撞并不常见,因此这种黑洞诞生的第二种可能原因并不总是被列入黑洞形成的简要总结中。
黑洞的寿命无法计算,它们的持续时间只能预测,而无法证明。因此,泛化是不可避免的。
当黑洞漂浮在太空中时,它们就像真空吸尘器一样存在,吸入它们遇到的所有物质,并不断地增长。随着它们吞噬,恒星黑洞——由恒星尸体的灰烬形成——不断长大,通过一个叫做吸积的过程变得更大。这指的是由于引力的吸引,大型天体不断增长。那些吞噬了许多恒星、行星、星际物质甚至其他黑洞的黑洞,其体积往往会比一般的恒星黑洞大得多。黑洞在特定位置吞噬多久取决于它吞噬的是什么。黑洞吞噬大型恒星通常需要数十亿年,而吞噬较小的物体——如小行星、小型行星或卫星——则需要相对较短的时间。
下一部分不可避免地进入理论领域。由于除了微型黑洞外,所有黑洞的预计寿命都比宇宙当前的年龄长得多,因此黑洞的死亡可能还没有发生。
霍金辐射理论认为,每个黑洞,经过很长一段时间后,最终会蒸发成虚无。到目前为止,这是关于黑洞蒸发的少数几个理论之一,仍然是一个争论不休的话题。我们将在这里讨论这个理论。
即使在完全的真空空间中,也存在能量。量子力学认为,即使是真正的真空也不是空的,因为事实上它是一个零点能量的海洋。这部分能量像海浪一样波动。这些波动不断产生一对粒子——一个正常物质粒子,一个反粒子——它们相遇并重新转化为纯能量,恢复了海洋中的平衡。
现在,霍金辐射理论指出,如果这样的一对粒子是在黑洞的事件视界之外形成的,并且其中一个粒子越过事件视界,而另一个粒子逃逸,那么黑洞就会损失一小部分质量,因为为了保持“总能量”(一个物体的静止能量、势能和动能之和),落入黑洞的粒子必然具有负能量。
然而,只有最小的黑洞才有可能以这种方式蒸发,因为比地球月球大得多的黑洞,其宇宙微波背景辐射——充满整个宇宙的电磁辐射——的恒定摄入量要大于其通过霍金辐射发射的量。事实上,目前还没有发现,也没有预测到任何接近我们月球质量的黑洞,因此,就目前而言,霍金辐射在技术上并不是我们当前宇宙中蒸发的可行原因。
然而,充满空间的宇宙微波背景辐射正在慢慢减弱。最终,它会变得如此微弱,以至于即使是最巨大的黑洞也会通过霍金辐射发射出比吸收的更多的能量。以这种方式,大约经过一古戈尔(10100)年,即使是最巨大的黑洞也会蒸发。
因此,黑洞的生命在它回归虚无,消失在宇宙深处时结束。