黑洞的形成,形成黑洞的最小质量?
普朗克质量即为最小黑洞质量,数值为21.7651 ± 0.0013 微克。
黑洞的定义是光线无法逃脱,已知质量后,可以根据逃逸公式计算出半径,这个半径就是史瓦西半径。
同一质量下的天体,其半径小于史瓦西半径,即是黑洞。
宇宙是不是一个很大的黑洞爆炸而形成的?
根据对宇宙中其它星系的观测发现,绝大多数的系外天体都在远离地球。而且离地球越远,退行的速度越快,在140亿光年以外甚至超过了光速。根据这一观测结果反演,在遥远的过去,星系间的位置一定非常近。如此大质量的物质间距离太近,它们就会在重力的作用下坍缩成一点。这个点就是奇点。
图:宇宙大爆炸
根据对哈勃常数的测量,计算出宇宙大约在138亿年前由奇点爆发生成。由于目前现代物理学的两大支柱:相对论和量子力学在奇点面前都已失效,所以,科学家们并不清楚奇点为什么会爆炸。
黑洞是大质量天体发生重力坍缩的产物,大量质量会坍缩成一个奇点,在距离奇点一定范围之内光都不能逃出奇点的引力。光线刚好不能逃出奇点引力的这个界面被称为“事件视界”,即:在这个表面处的逃逸速度等于光速。视界以内就被定义为黑洞。
图:黑洞
诞生宇宙的奇点和黑洞的奇点有一些相似,都是体积无限小,密度无限大、引力无限大、时空曲率无限大的点。但与黑洞奇点不同的是,黑洞奇点藏身于视界以内。而诞生宇宙的奇点却是一个裸奇点(没有事件视界)。所以,宇宙并不是诞生于黑洞的。
根据相对论,任何信息不能超过光速传递。这就限制了能量从黑洞中传递出来,所以,黑洞也不可能发生“爆炸”。黑洞只能通过一种还只存在于理论上的“霍金辐射”将自己慢慢蒸发掉。
有科学家认为,宇宙可能诞生于一次“白洞”的喷发,但这不是科学界的主流观点,仅仅是一个假设。要想真正知道宇宙是怎么诞生的,还得依赖“万有理论”的成功。目前最接近成功的万有理论是“超弦理论”。
相当于60个太阳的黑洞是怎么产生的?
这个相当于60个太阳质量的更大黑洞,是由两个大黑洞合并产生的。
根据相关消息,这个黑洞合并的天文奇观发生在2017.7.29,距地球约90亿光年之外。是美国一家国际科学团队在研究引力波天文台(LIGO)观测获得的数据时,发现了目前为止更大的黑洞合并天文现象,它们的引力波被天文台成功观察到,质量是45-80个太阳之间。
LIGO的工作人员克里斯腾森表示:如此大的黑洞太难见,因为普通的恒星塌缩不可能形成这么大的黑洞,除非是黑洞合并,也许这个超大黑洞内聚集了成百上千的小黑洞。
相对论曾指出:大黑洞形成要么是宇宙大爆炸时的最初黑洞,要么是晚年的大质量恒星发生超新星爆炸,要么是多个小黑洞合并。天文学家还在距地球5000万光年的处女座星系(M87)中发现了一个超大质量黑洞,质量是太阳的66亿倍,喷射的高能粒子穿越了这个星系。
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为什么它的照片洗了2年?
黑洞,作为宇宙中最神秘的天体之一,一直激发着公众的想象力,但我们一直无法看到黑洞的庐山真面目。就在昨天,这种情况发生了改变。
北京时间2019年4月10日21:00,欧洲委员会、欧洲研究理事会和事件视界望远镜项目(Event Horizon Telescope,EHT)在比利时布鲁塞尔、智力圣地亚哥、上海、日本东京、台北和美国华盛顿六地同时召开新闻发布会,展示了EHT的突破性成果,向全世界公布了首张黑洞照片。
黑洞到底是什么?
传说,宇宙中有这么一颗恒星,比太阳还要大几圈。碌碌无为的活了大半辈子,准备在临死前做个大事儿。于是,他决定:原地爆炸!
然而,这颗恒星坏得很,它只炸掉了自己的外衣,留下了光秃秃的核。因为这个「核」的质量够大,就变成了传说中的黑洞。
黑洞的照片是怎么拍到的?
用事件视界望远镜拍到的。
100多年前,爱因斯坦的广义相对论提出:引力可视为时空扭曲。它的方程预言:当一个大质量恒星,坍缩到足够致密时,其引力会使得时空中的一块区域极端扭曲。也就是说,太阳太胖,压弯了时空,地球自己溜过去了。
因为黑洞具有强大的引力,可以将附近的物质拉向自己。而这些物质会绕着黑洞旋转,最终落入其中。物质在绕行时形成的盘状结构,被称为“吸积盘”。这些物质在进入黑洞之前,会因为高速的运动,被加热到数十亿度的高温,这会发出强烈的辐射。可以通过观测这些辐射的影像,来获得黑洞事件视界的剪影。
事件视界望远镜就是为了记录这些剪影而特别设立的。因为观测黑洞视界的更佳波长为1毫米左右,气体在这个波段的辐射最明亮,且这个波长的电磁波可以完全不被阻挡。然而,想要在这个波长下获得清晰的剪影,需要一个口径像地球一样大的望远镜。
根本做不到,于是EHT利用全球各地的射电望远镜组成 ,模拟像地球一样大的望远镜。每一个望远镜都收集黑洞附近的剪影,最后再将数据集成,就可以计算出事件视界的图像了。
目前,已经有12个射电望远镜加入EHT项目组,它们遍布世界各地。比如智力、西班牙、夏威夷、北美、墨西哥,甚至是南极洲。
2017年3月,EHT之一次有足够多的参与成员,使阵列达到足以观测事件视界的角分辨率。8台望远镜历经5天的连续观测,为我们带来了这次看到的「黑洞」。
为什么洗照片要等两年这么久?
因为EHT观测产生的数据量非常庞大,不可能靠 来传递。在2017年的那五天观测期间,每座望远镜会搜集超过500TB的数据,整个阵列产生的数据约7000TB,将装满1000-2000个硬盘,这些硬盘将通过邮寄的方式集中。
你还记得吗?上文提到的有一个望远镜位于南极,那里的极端气候,每年的2月-10月没有航班。因此,硬盘等到2017年10月才被运出,又辗转1个月才送达。此后,需要大约1年的时间,等待超级电脑对数据进行集成和分析,才能得到我们今天看到的首张「黑洞」图片。
那么黑洞会是什么元素组成的?
黑洞的密度无限大,那么黑洞会是什么元素组成的?塌缩的铁会形成新元素吗?
这个问题表述不是很准确。
黑洞密度无限大只是指黑洞中心的奇点。
现在人们认识黑洞一般把黑洞史瓦西半径包括在内。
黑洞奇点无穷小,但史瓦西半径是有一定尺度的。
这个半径与质量成正比,质量越大,史瓦西半径就越大。
计算公式为:R=2GM/C²
式中,R为史瓦西半径,G为引力常数(6.67x10^-11N·m²/kg²),M为质量,C为光速。
但黑洞所有质量是集中在奇点上。
这个奇点体积无限小,无限小的东西使我们无法认知的东西。哪怕这个黑洞质量只有1克,其密度也是无限大的,因为无限小的体积无法测算密度。
既然物质在无穷小的体积里,任何我们认知的元素都不存在。
我们认知的物质都是由原子组成,元素也是有原子组成。
我们人类能够认知的最小尺度是普朗克尺度,也就是1.6×10^-35米。电子直径为10^-15米,普朗克尺度比电子小20个数量级,也就是小1万亿亿倍。
量子力学认为,小于普朗克尺度对于我们世界没有任何意义。
但奇点无限小,就是比这个还要小,不知小多少。
而黑洞的所有质量都在这个奇点里,这样的物质现有任何理论都无法描述。
事实上,到了白矮星,物质就不是由我们认知的元素组成了。
白矮星是太阳的归宿,一般认为,0.5倍以上到8倍以下太阳质量的恒星,死亡后就会留下一个白矮星,因此白矮星是这类恒星的尸骸。
白矮星上的物质非常至密,原子被压扁压破,一些核外电子成了自由电子,但还基本保持了原子的状态,依靠电子简并压支撑着引力压力,所以又叫做电子简并态物质。
何谓电子简并压?就是根据泡利不相容原理,在费米子组成的系统中,不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态。
这样电子之间就形成了一种无法相容的压差,靠这个支撑着不继续塌陷。
白矮星物质密度达到每立方厘米1~10吨,已经不是我们认识的任何一种元素了。
这种至密物质的星球引力很强大,一般天体,也就是恒星、行星、星际物质靠近它都会被拉扯撕碎吃掉。
随着白矮星不断的吞噬周边天体物质,也就是吸积,质量达到钱德拉塞卡极限,也就是太阳的1.44倍时,电子简并压就承受不住身体的压力了,就会继续塌缩,巨大能量引发突发碳、氧核聚变,热失控导致la超新星爆发。
白矮星爆发的结果很可能形成一颗中子星。
因此钱德拉塞卡极限既是白矮星的上限,也是中子星的下限。
中子星的压力已经将原子压垮压碎了,电子被压进了原子核,与质子中和成为中子,加上原来的中子,整个星球都变成了一个大中子核。
中子星很小,1.44倍太阳质量以上的半径只有10公里大小,因此物质就更极端至密了,其密度达到每立方厘米10亿吨左右,这种物质还能够算得上我们认知的任何元素吗?
中子星是依靠中子简并压支撑着巨大的引力压,但有一个奥本海默极限,就是到达3个太阳质量左右时,就撑不住了,必然坍缩成一个黑洞。
恒星形成中子星或黑洞并不一定要一级一级转变过来,如果恒星巨大,在演化晚期就会直接转变成中子星或者黑洞。
大质量恒星发生超新星大爆炸直接生成中子星或黑洞。
一般认为8倍以上太阳质量的恒星超新星大爆发后,会留下一个中子星;30~40倍太阳质量以上的恒星大爆炸后会留下一个黑洞。
从中我们可以发现,超新星大爆炸是把绝大部分物质都通过爆发抛散到了太空,剩下的核心很小很小。
中子星在3倍太阳质量以下,而一个40倍太阳质量的恒星,生成的黑洞一般只有4倍左右的太阳质量。
也有巨大的恒星由于中心温度太高,会产生足量的反物质,大爆炸后灰飞烟灭,什么也不会留下。
大质量恒星演化末期,都是完成了从氢核聚变开始,一级一级核聚变,到达铁元素就无法进行下去了。
超新星大爆发前原恒星中心都是一个铁核。
大质量恒星都是一级一级不断的发生核聚变,从氢核聚变开始,顺着元素周期表从轻到重不断升级,每升一级所需要的的温度和压力就更高。
但到了铁元素这一关,就过去去了。
这是因为铁元素是最稳定的元素,不管是核裂变还是核聚变都不会产生能量形成自发的链式反应,而是要消耗更多的能量。恒星在演化后期根本没有能量来激发铁核聚变。
这样大质量恒星核心到此核聚变就进行不下去了。
在整个恒星主序星阶段,恒星的稳定都是依靠中心核聚变的辐射压来抵御质量的引力压,没有了核聚变辐射压,恒星引力压导致物质急剧向核心坍缩,导致核心崩溃,热核失控导致巨大能量爆发。
这就是超新星爆发。爆发的结果,根据中心留下至密天体的质量不同,形成一个中子星或者一个黑洞。
有人问,中心那个铁核呢?当然也被炸得粉碎了。
超新星爆发的能量巨大,一颗超新星爆发至少相当于太阳一生100亿年辐射能量的总和,2015年发现的ASASSN-15lh超新星爆发,是迄今最强烈的超新星爆发,瞬间亮度达到太阳的5700亿倍。
超新星爆发的温度可达100~1000亿度。
在这样巨大能量高温高压下,还有什么物质练不出来呢?那个顽固的铁核当然也不例外,瞬间聚变成了更重的元素。
在宇宙诞生初期,只有氢、氦、锂等轻元素存在,是恒星核聚变和超新星大爆炸,才使我们这个世界的元素渐渐多起来,但总量不到1%。
而现在宇宙中人类已经发现存在118种元素,这些元素的所有重元素,都是恒星通过核聚变和超新星大爆炸得来的。
这些元素无法与极端天体相提并论。
人类已知的118种元素中,密度更大的元素为金属锇,每立方厘米22.8克。
白矮星物质密度每立方厘米达到10吨左右,中子星物质密度每立方厘米达到10亿吨!
这种密度与我们已知元素完全不在一个量级上,是真正的天壤之别。
刘慈欣《三体》小说中三体人派出的水滴,就相当于中子星密度,因此光滑无比,一个原子都难以隆起。
这种物质虽然我们目前无法看到,但还在我们的理论认知范围之内。
而黑洞奇点,已经超出我们的认知,是超时空的东西,人类又怎么能够窥视其中的奥秘呢?
结论:黑洞的组成已经不是我们认知的元素,铁在高温高压下能够聚变出更重的元素,但“塌缩”描述不准确。
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