超大質(zhì)量黑洞形成過程
超大質(zhì)量黑洞形成過程
黑洞是時空曲率大到光都無法從其視界逃脫的天體，形成黑洞的因素有哪些呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于黑洞是怎么樣形成的的內(nèi)容，希望大家喜歡!
黑洞形成的過程
黑洞就是中心的一個密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小的奇點(diǎn)和周圍一部分空空如也的天區(qū)，這個天區(qū)范圍之內(nèi)不可見。依據(jù)阿爾伯特-愛因斯坦的相對論，當(dāng)一顆垂死恒星崩潰，它將聚集成一點(diǎn)，這里將成為黑洞，吞噬鄰近宇宙區(qū)域的所有光線和任何物質(zhì)。
黑洞的產(chǎn)生過程類似于中子星的產(chǎn)生過程：某一個恒星在準(zhǔn)備滅亡，核心在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發(fā)生強(qiáng)力爆炸。當(dāng)核心中所有的物質(zhì)都變成中子時收縮過程立即停止，被壓縮成一個密實(shí)的星體，同時也壓縮了內(nèi)部的空間和時間。但在黑洞情況下，由于恒星核心的質(zhì)量大到使收縮過程無休止地進(jìn)行下去，中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來的是一個密度高到難以想象的物質(zhì)。由于高質(zhì)量而產(chǎn)生的引力，使得任何靠近它的物體都會被它吸進(jìn)去。
也可以簡單理解：通常恒星最初只含氫元素，恒星內(nèi)部的氫原子核時刻相互碰撞，發(fā)生聚變。由于恒星質(zhì)量很大，聚變產(chǎn)生的能量與恒星萬有引力抗衡，以維持恒星結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。由于氫原子核的聚變產(chǎn)生新的元素——氦元素，接著，氦原子也參與聚變，改變結(jié)構(gòu)，生成鋰元素。如此類推，按照元素周期表的順序，會依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至鐵元素生成，該恒星便會坍塌。這是由于鐵元素相當(dāng)穩(wěn)定，參與聚變時不釋放能量，而鐵元素存在于恒星內(nèi)部，導(dǎo)致恒星內(nèi)部不具有足夠的能量與質(zhì)量巨大的恒星的萬有引力抗衡，從而引發(fā)恒星坍塌，最終形成黑洞。說它“黑”，是因?yàn)樗拿芏葻o窮大，從而產(chǎn)生的引力使得它周圍的光都無法逃逸。跟中子星一樣，黑洞也是由質(zhì)量大于太陽質(zhì)量好幾十甚至幾百倍以上的恒星演化而來的。
當(dāng)一顆恒星衰老時，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料，由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍，直到最后形成體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度(一定小于史瓦西半徑)，質(zhì)量導(dǎo)致的時空扭曲就使得即使光也無法向外射出——“黑洞”就誕生了。
黑洞的表現(xiàn)形式
據(jù)英國媒體報道，一項(xiàng)新的理論指出黑洞的死亡方式可能是以轉(zhuǎn)變?yōu)榘锥吹姆绞竭M(jìn)行的。理論上來說，白洞在行為上恰好是黑洞的反面——黑洞不斷吞噬物質(zhì)，而白洞則不斷向外噴射物質(zhì)。 這一發(fā)現(xiàn)最早是由英國某雜志網(wǎng)站報道的，其理論依據(jù)是晦澀的量子引力理論。
恒星的時空扭曲改變了光線的路徑，使之和原先沒有恒星情況下的路徑不一樣。光在恒星表面附近稍微向內(nèi)偏折，在日食時觀察遠(yuǎn)處恒星發(fā)出的光線，可以看到這種偏折現(xiàn)象。當(dāng)該恒星向內(nèi)坍塌時，其質(zhì)量導(dǎo)致的時空扭曲變得很強(qiáng)，光線向內(nèi)偏折得也更強(qiáng)，從而使得光線從恒星逃逸變得更為困難。對于在遠(yuǎn)處的觀察者而言，光線變得更黯淡更紅。最后，當(dāng)這恒星收縮到某一臨界半徑(史瓦西半徑)時，其質(zhì)量導(dǎo)致時空扭曲變得如此之強(qiáng)，使得光向內(nèi)偏折得也如此之強(qiáng)，以至于光線再也逃逸不出去 。這樣，如果光都逃逸不出來，其他東西更不可能逃逸，都會被拉回去。也就是說，存在一個事件的集合或時空區(qū)域，光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者，這樣的區(qū)域稱作黑洞。將其邊界稱作事件視界，它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。
與別的天體相比，黑洞十分特殊。人們無法直接觀察到它，科學(xué)家也只能對它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想。而使得黑洞把自己隱藏起來的的原因即是彎曲的時空。根據(jù)廣義相對論，時空會在引力場作用下彎曲。這時候，光雖然仍然沿任意兩點(diǎn)間的最短光程傳播，但相對而言它已彎曲。在經(jīng)過大密度的天體時，時空會彎曲，光也就偏離了原來的方向。
在地球上，由于引力場作用很小，時空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，時空的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達(dá)地球。觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術(shù)。
更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達(dá)地球，它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強(qiáng)引力折射而能到達(dá)地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”，還同時看到它的“側(cè)面”、甚至“后背”，這是宇宙中的“引力透鏡”效應(yīng)。
這張紅外波段圖像拍攝的是我們所居住銀河系的中心部位，所有銀河系的恒星都圍繞銀心部位可能存在的一個超大質(zhì)量黑洞公轉(zhuǎn)。 據(jù)美國太空網(wǎng)報道，一項(xiàng)新的研究顯示，宇宙中最大質(zhì)量的黑洞開始快速成長的時期可能比科學(xué)家原先的估計更早，并且仍在加速成長。
一個來自以色列特拉維夫大學(xué)的天文學(xué)家小組發(fā)現(xiàn)，宇宙中最大質(zhì)量黑洞的首次快速成長期出現(xiàn)在宇宙年齡約為12億年時，而非之前認(rèn)為的20~40億年。天文學(xué)家們估計宇宙的年齡約為138.2億年。
同時，這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)宇宙中最古老、質(zhì)量最大的黑洞同樣具有非?？焖俚某砷L。有關(guān)這一發(fā)現(xiàn)的詳細(xì)情況將發(fā)表在最新一期的《天體物理學(xué)報》。
如果黑洞足夠大，宇航員會開始覺察到拉著他腳的重力比拉著他頭的重力更強(qiáng)大，這種吸引力拖著他無情地向下落，重力差會迅速加大而將他撕裂，最終他的遺體會被扯得粉碎而落入黑洞那無限致密核心。
普金斯基和他的兩個學(xué)生艾哈邁德·艾姆哈里、詹姆斯·薩利，加上該校的另一位弦理論學(xué)家唐納德·馬洛夫一起，對這一事件進(jìn)行了重新計算。根據(jù)他們的計算，卻呈現(xiàn)出完全不同的另一番場景：量子效應(yīng)會把事件視界變成沸騰的粒子大漩渦，任何東西掉進(jìn)去都會撞到一面火焰墻上而被瞬間烤焦。
美國宇航局有關(guān)一個超大質(zhì)量黑洞及其周圍物質(zhì)盤，炙熱的物質(zhì)團(tuán)(一個呈粉紅色，一個呈黃色)每一個的體積都與太陽相當(dāng)，環(huán)繞距離黑洞較近的軌道運(yùn)行。科學(xué)家認(rèn)為所有大型星系中心都存在超大質(zhì)量黑洞。黑洞一直在吞噬被稱之為“活躍星系核”的物質(zhì)。由于被明亮并且溫度極高的下落物質(zhì)盤環(huán)繞，黑洞的質(zhì)量很難確定。根據(jù)上周刊登在《自然》雜志上的一篇新研究論文，基于對繞黑洞運(yùn)行物質(zhì)旋轉(zhuǎn)速度的計算結(jié)果，37個已知星系中心黑洞的質(zhì)量實(shí)際上低于此前的預(yù)計。
超大質(zhì)量黑洞的形成
超大質(zhì)量黑洞的形成有幾個方法。最明顯的是以緩慢的吸積(由恒星的大小開始)來形成。另一個方法涉及氣云萎縮成數(shù)十萬太陽質(zhì)量以上的相對論星體。該星體會因其核心產(chǎn)生正負(fù)電子對所造成的徑向擾動而開始出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，并會直接在沒有形成超新星的情況下萎縮成黑洞。第三個方法涉及了正在核坍縮的高密度星團(tuán)，它那負(fù)熱容會促使核心的分散速度成為相對論速度。最后是在大爆炸的瞬間從外壓制造太初黑洞。超大質(zhì)量黑洞平均密度可以很低，甚至比空氣密度還要低。這是因?yàn)槭吠呶靼霃脚c其質(zhì)量成正比，而密度則與體積成反比。由于球體(如非旋轉(zhuǎn)黑洞的事件視界)體積是與半徑立方成正比，而質(zhì)量差不多以直線增長，體積增長率則會更大。故此，密度會隨黑洞半徑增長而減少。在黑洞的中心，是物理學(xué)中最為神秘的物質(zhì)之一——奇點(diǎn)，也就是時間、空間和一切已知的物理學(xué)法則土崩瓦解的所在點(diǎn)。
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