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黑洞的形成原因和过程

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2021-12-24 08:31:27

黑洞本身的整个概念既复杂又有趣。为了对黑洞有一个基本而正确的了解,我将一步一步地进行解释。把这个答案读到最后,我发誓它会很有趣,并且会清楚很多概念。

黑洞的形成原因和过程

让我们看看超大质量恒星的生命周期,它的核心是我们太阳的4倍。

黑洞的形成原因和过程

因为核聚变,宇宙中的恒星一直在燃烧,恒星只有在其核心还留有氢时才会继续存在。

恒星的存在是因为一种脆弱的平衡。数万亿吨的等离子体被引力拉向内部,以巨大的力量将物质挤压在一起,以致于原子核聚变(氢聚变为氦)。这就释放了能量,推动反重力,并试图逃跑。这就是所谓的流体静力平衡。

流体静力平衡

只要这种平衡存在,恒星就相当稳定。最终,当氢耗尽时,恒星将进入一个巨大的阶段,它们将碳燃烧成氧,然后变成白矮星。这就是发生在太阳这样的恒星上的事情。它们会在热核爆炸中消亡。

但是,在大质量恒星中,当它们耗尽氢时,事情就变得有趣了。

在一段时间内,压力和辐射的平衡被打破,引力胜出,恒星被挤压得比以前更紧。核心燃烧得更热、更快,而恒星的外层膨胀了数百倍,融合了越来越重的元素。碳燃烧成氖需要几个世纪,氖燃烧成氧需要一年,氧燃烧成硅需要几个月,硅燃烧成铁需要一天。然后,它们以光速的四分之一向内爆,将所有物质压入核心。

恒星的外层膨胀

它们会以超新星的形式爆炸。

如果爆炸恒星的核心质量是太阳质量的4倍或更多,那么就会形成一个时空区域,那里的引力场非常强烈,以至于任何东西,包括像光这样的电磁辐射,都无法逃脱。这个区域叫做黑洞。

黑洞

现在让我们退一步来看看相对论。爱因斯坦提出广义相对论后,我们对引力的看法发生了变化。重力在早期被视为一种力。根据相对论,空间和时间不是不同的实体,而是同一种被称为时空的实体。空间和时间组合在一起就是时空,就像电和磁组合在一起就是电磁一样。空间和时间是等价的。

为了理解黑洞的概念,我们需要使用爱因斯坦对引力的解释而不是牛顿的解释。这也是,我将保持简单,因为我不想延伸到主题。把时空看作是铺在整个宇宙上的一块柔性橡胶。

爱因斯坦对引力的解释

当你把一个有质量的物体放在这个时空中,时空就会弯曲,或者像这样弯曲:

时空弯曲

形成的曲率就是这个物体的引力场。如果你把一个物体放在形成的坑附近,它会朝这个物体下落。根据爱因斯坦的相对论,这就是引力概念的工作原理(注意——这只是对非常复杂的爱因斯坦引力理论的过度简化)。一个物体的质量和密度越大,时空的曲率就越大。

回到话题上来。黑洞就像时空结构中的活板门。他们创造的空间和时间的曲率是疯狂的。

黑洞就像时空结构中的活板门

你可以看到黑洞的曲率非常尖锐。

黑洞,可以被定义为时空中的一个区域,在这个区域中,时空是如此扭曲,以至于连光都无法逃脱。

黑洞是在大量质量被挤进一个非常小的区域时形成的。一旦大量的质量被挤进所需的空间,物体就会坍缩成黑洞。

一个物体坍缩成黑洞的密度极限被称为该物体的史瓦西半径。

史瓦西半径的公式是:

史瓦西半径

根据这个方程,一个像太阳一样大的物体需要坍缩到3KM才能成为黑洞。

这意味着黑洞密度很大。一个半径仅为3公里的黑洞就和我们的太阳一样大。

宇宙中的大多数黑洞都是在核心质量是太阳4倍的超大质量恒星坍缩后形成的。

当恒星坍缩时,恒星会内爆,压缩其中的物质。它对其核心施加的压力是如此之大以至于核心达到了史瓦西半径。然后它就变成了黑洞!我之前已经描述过了。

这是大多数(不是所有)黑洞形成的方式
 

黑洞的类型


恒星黑洞——这些黑洞是我之前描述过的。它们是在恒星消亡后形成的。这些黑洞体积不大,但质量很大。

超大质量黑洞——这些黑洞是宇宙中最大的物体。它们的质量是太阳的数十亿倍。它们位于星系的中心。超大质量黑洞的半径比整个恒星系统的半径还大。

超大质量黑洞

除此之外,还有其他类型的黑洞是中子星碰撞形成的。

中子星碰撞形成


黑洞的视界


黑洞的视界,是一个无法返回的点。它是将黑洞内的事件与宇宙中其他点隔开的边界。

一旦你穿过黑洞的视界,你需要以超过光速的速度飞行才能逃离黑洞。光速旅行是不可能的。因此,视界是一个不可回归的点。

黑洞的视界
 

黑洞的奇点


奇点就像黑洞的质量中心。它是黑洞的全部质量,不管是10亿还是100万太阳质量,都集中的地方。

进入黑洞后,奇点不再是空间中的一点,而是无限未来中的一点。

奇点

宇宙中的大多数黑洞都在旋转。因此,即使奇点在大多数黑洞中也会旋转,这很有趣。在这样的黑洞中,奇点变成了圆环。


霍金辐射


这个话题本身需要一个单独的答案。我现在无法解释。这会造成混乱。霍金辐射是黑洞失去质量并慢慢蒸发的辐射。

霍金辐射

观察坍塌中,我们看不见黑洞,因为它们的引力吸引着周围的光。但我们知道这些黑洞的存在是因为它们附近物体的行为。一个物体可以绕黑洞运行,就像它可以绕恒星运行一样。

这就是黑洞周围的物体的行为:

黑洞周围的物体的行为
 

黑洞周围的时空


黑洞外的时空变得非常疯狂。测地线变得疯狂,绕黑洞运行相当困难。对于大多数黑洞来说,事情变得非常复杂,因为大多数黑洞都会旋转。由于被称为引力时间膨胀的效应,时间在接近黑洞时变慢。黑洞周围的时间膨胀黑洞是巨大的物体。在大质量物体周围,由于时空的曲率,时间会变慢。这种效应被称为引力时间膨胀。

黑洞外的时空


黑洞的“意大利面化”


当你靠近黑洞时,一个有趣但危险的事情会发生——意大利面化。名字清楚地说明了它是什么。由于黑洞的潮汐效应,一个物体的垂直拉伸和水平压缩是意大利面。潮汐不是指地理上的潮汐。重力随距离的变化称为潮汐力。靠近黑洞的那一面的引力要比你头部附近的引力强数十亿倍。重力的变化,让你更喜欢意大利面,叫做意大利面化
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