黑洞是如何形成的?光线为何不能逃脱?

作者: 数理科学  发布:2019-11-17

为了了解什么是黑洞,让我们先从太阳这样的恒星谈起。我们知道,太阳的直径为1,392,000公里,它的质量为地质质量的330,000倍。在这样大的质量、从表面到中心的距离这样长的情况下,位于太阳表面的任何东西所受到的引力大约相当于地球表面引力的28倍。 任何一颗普通的恒星都会由于下述两种因素的相互平衡而保持其通常的大小。其中一个因素是恒星中心有非常高的温度,因而会使恒星的物质经常处于膨胀的状态。另一个因素就是它本身具有很大的引力,从而会使恒星的物质倾向于收缩而挤压在一起。 但是在恒星生存期的某一阶段,其内部温度将会降低,这样一来,引力将会成为一个主导的因素,结果,这颗恒星就会开始坍缩,在这个过程中,恒星内部物质的原子结构会遭到破坏。这样一来,原子将不复存在,替代它的将是一个个电子、质子和中子。这颗恒星将会坍缩到这样一种程度,这时电子的相互排斥力将使该恒星不能够再进一步坍缩。 这颗恒星于是就成为一颗“白矮星”。像太阳这样的恒星一旦坍缩成为一颗白矮星,它的全部物质将被挤压成为一个直径只有大约16,000公里的球体,它的表面引力将变成地球表面引力的210,000倍(因为它的质量虽然没有变,但是从表面到中心的距离则大大缩短了)。 在某些条件下,引力将变得如此之大,甚至能战胜电子之间的排斥力。结果,这颗恒星将会再度坍缩,并迫使其全部电子和质子彼此结合为中子,这样一来,这颗恒星将一直收缩到所有的中子都彼此接触为止。到了这一步,这个中子结构物又将会抵制进一步的坍缩,这颗星于是成为一颗中子星。这样的中子星将把太阳的全部质量压缩在一个直径只有16公里的球体内。结果,它的表面引力将是地球引力的210,000,000,000倍。 在某些条件下,引力甚至能进一步战胜中子结构的抗拒。这时候,再也没有任何东西能够抵抗得住它的进一步坍缩了。结果,这颗恒星就会坍缩到体积等于零,而它的表面引力就会无限地增大。 根据相对论,一颗恒星所发射出来的光,当它克服该恒星的引力场而向外射出的时候,将会失去一定的能量。引力场越大,所失去的能量也越大。这一点已经由科学工作者经过天文观测和实验室实验得到证实。 由太阳这样的普通恒星发射出的光,它失去的能量是很有限的。由白矮星发射出的光会失去较多的能量;由中子星发射出的光会失去比这更多的能量。当这颗中子星进一步坍缩时,就会出现这样一种情况:从它的表面向外射出的光将会失去它的全部能量,从而根本不可能逃逸出去。 一个比中子星坍缩得更厉害的天体,它的引力场将是如此之强,以致任何靠近它的东西都将被它所捕获,并且再也不能从它里面逃逸出去。这就如同被捕获的物体落进一个无底洞的情况一样。而且,正如上面所说,甚至连光也不能逃逸出去,因此,这个坍缩了的天体将是黑的。正因为它既像个无底洞,而且又是黑的,所以天文学家就把它叫做“黑洞”。 天文学家目前正在宇宙的各个角落寻找可证明确有这种黑洞存在的证据。

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图片来源:维基百科关于"黑洞"最初的研究

1783年,剑桥学监约翰·米歇尔在《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出,一个质量足够大,并且足够致密的恒星会具有强大的引力场,任何从恒星表面发出的光,在还未到达观测者面前,就会被恒星的引力吸引回来。(如果光由粒子构成,那就意味着光会受到引力的影响。)1969年,美国科学家约翰·惠勒为了形象的描述这个概念,将其称为黑洞。我们虽然无法直接观测黑洞,但可以通过它与其他物质的相互作用以及与电磁辐射的相互作用和恒星轨道运行来察觉黑洞的存在。黑洞的形成

在上篇文章当中,已经解释过恒星是如何产生和消亡的。其实恒星从未真正消亡过,他们只不过是换了一种方式存在而已。

恒星诞生于星云和尘埃之中,依靠氢原料进行核聚变,但恒星最终会耗尽氢和其他核燃料。因为恒星质量越大,就必须越热(也就是核聚变越强烈)才能抵挡引力的作用。而越热,燃料消耗的速度就越快。燃料耗尽时,气体外层开始膨胀,引力占据上风,最后形成红巨星或超巨星。但是,不是所有恒星的引力坍缩都会形成黑洞,只有超大质量以及超高密度的恒星引力坍缩时才会形成黑洞。

1928年,印度天文学家萨拉玛尼安·钱德拉萨卡提出一个理论:"一个质量大约比太阳质量的一倍半还大的冷的恒星不能维持本身以抵抗自己的引力。"他认为,当恒星变小时,物质粒子靠得非常近,而按照"泡利不相容原理",它们会相互远离并且使恒星膨胀。因此,一颗恒星可以在引力和不相容原理引起的排斥力之间达到平衡。但大质量恒星并不适用,当一个恒星质量足够大时,排斥力不足以抵挡自身的引力,引力不断压缩,恒星的内核会变得足够致密。

按照钱德拉萨卡的理论,恒星的归宿有三种。

其一:如果一颗恒星的质量要比钱德拉萨卡极限小,那么它最后会停止收缩,保持不变,成为"白矮星"。白矮星由电子的不相容原理支持,密度为每立方英寸几百吨。

其二:一颗恒星质量大约也为太阳质量的一倍或两倍,但体积比白矮星小的要多,称为中子星,中子星的密度为每立方英寸几亿吨。

其三:质量比钱德拉萨卡极限还要大、致密的恒星,引力坍缩后才形成黑洞。

超高密度和超大质量的恒星才有可能形成黑洞。

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对超大质量恒星的想象

图片来源:维基百科为什么光线无法逃脱黑洞?

人们普遍认为光受引力影响。当恒星在收缩时,引力场变得比之前强大,光锥向内偏折的更多;当恒星收缩到某一临界半径时,引力场变得如此之强,以至于光线无法逃脱。根据广义相对论,没有什么比光进行的更快。既然连光也无法逃脱,其他东西就更不用说了。因此,存在一个光和任何东西都无法逃脱的时空区域,被称为事件视角。假如一个人身处事件视角之内,他发出的信号永远也不可能传达到观测者。当然,他在靠近事件视角时,就会被强大的引力撕成碎片。

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远离黑洞,光线不受限制。

图片来源:维基百科

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靠近事件视角,部分光线受到弯曲

图片来源:维基百科

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事件视角之内,光线无法逃脱

图片来源:维基百科

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