什么是黑洞?黑洞为什么这么可怕?
关于提出黑洞的历史
英国地理学家约翰·林可唯首先提出了黑洞的问题。1783年,他提出,如果一个天体的质量与太阳相同,天体的直径只有3公里左右,那么这个天体表面的引力是如此之大,以至于即使是宇宙中最快的光子也无法从它的表面逃逸。
此外,法国物理学家拉普拉斯在1796年预言:“如果一个天体的质量约为太阳的250倍,直径与地球相当,那么这个天体表面的引力将变得如此之大,以至于连光都无法逃逸。”
直到20世纪爱因斯坦发表了广义相对论,我们对黑洞理论有了很多新的认识,比如知道了黑洞形成的必然条件,知道了黑洞三个独特的物理特征。
黑洞概述
黑洞是一个时空区域,它会表现出如此强大的引力效应,以至于任何粒子和电磁辐射,比如光子,都无法从黑洞内部逃逸。广义相对论预言,一个足够密集的质量可以弯曲时空,形成一个无法逃脱的区域边界,这就是所谓的事件视界。简单来说,这就是信息的结尾,你无法传达。
目前还没有直接观测到黑洞的证据,但是可以从黑洞周围的时空找到黑洞的间接证据。例如,当黑洞影响周围的恒星时,恒星的物质会由于黑洞的强大引力而落入黑洞,黑洞和恒星之间会形成吸积盘。在这个过程中,恒星的物质会被加热而辐射出能量(X射线),这将被我们观测到。这里需要知道的是,目前并没有发现真正的黑洞,只发现了类似黑洞的候选者。
黑洞的形成
黑洞是大质量恒星在临界值以上“死亡”而形成的特殊天体。起初,典型的恒星,如太阳,依靠氢聚变来维持能量。然后氢气耗尽,由于重力的压力,核心环境变成了氦气,开始聚变。质量更大的恒星会与更重的元素融合,直到达到铁。根据理论,如果恒星的核心质量大于或等于太阳质量的3.2倍,那么就没有能量(斥力)来抵抗自身的引力,引力开始向中心无限坍缩,然后就形成了一个“黑洞”,黑洞的中心就会趋于奇点。
目前黑洞的形成有两个经典极限值。首先是《奥本海默》-沃尔科夫极限(冷中子星的质量上限),接近太阳质量的2.17倍。如果一颗冷中子星超过这个极限,它很可能会由于强大的引力而坍缩成黑洞。第二个是著名的史瓦西半径,史瓦西半径是指当一个物体被压缩到临界半径时,就会形成黑洞。严格来说是一个球对称、不旋转、不带电的物体的重力场值。当一个特定质量的物体被压缩到这个值时,它自身的引力可以被压缩到一个奇点,而不受约束。理论上,太阳的史瓦西半径约为3公里,地球的史瓦西半径只有9毫米左右。质量大于或等于太阳3.2倍的天体,如果被压缩到其史瓦西半径内,就会形成黑洞。