黑洞的形成,形成黑洞的最小质量

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。

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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