在很多方面,黑洞是宇宙中最极端的物体。黑洞通常是由质量非常大的恒星死亡时形成的,
天辰测速网址在那里,大量的质量被集中在这么小的一个空间里,在它周围的特定区域内,没有任何东西可以逃脱它的引力。在黑洞的视界内,甚至光本身也无法从黑洞中逃逸。
但这并不意味着黑洞会永远存在;相反,它们会由于霍金辐射现象而慢慢衰减。视界外的空间曲率越强,黑洞衰变的速度就越快。基于我们的宇宙中可能存在的黑洞,你可能想知道有多少已经衰变或正在衰变。138亿年之后,令人惊讶的答案是零。这就是为什么。
据我们所知,宇宙产生黑洞的方式只有三种。你可以使一个黑洞由于:
一颗超新星,一颗质量合适的大质量恒星耗尽了其核心的燃料,然后在自身重力的作用下坍缩,如果核心的质量足够高,就会形成黑洞,
两颗残余恒星的合并,如两颗中子星,合并后的物体总质量超过某一阈值,或
直接坍缩,即一大块稠密的物质自引力超过临界阈值,直接把气体云或大质量恒星变成黑洞,其间没有大灾难。
黑洞的低端阈值大约是2.5倍太阳质量。如果你的质量低于这个阈值,天辰登录官网个别超新星或合并只会导致中子星的形成;单个粒子产生的压力足以支撑该物体抵抗重力坍缩。但是,如果你超过了中子星的最大质量——如果它不旋转到2.75倍太阳质量(最快旋转的中子星是2.5倍太阳质量)——你将不可避免地形成一个黑洞。
但制造更大、更重的黑洞也很容易。更大质量的恒星产生更大质量的黑洞。黑洞融合在一起,吸收和积累物质和能量。任何经过视界的物体都会增加总质量。到目前为止,黑洞的质量已经达到太阳质量的几百亿倍,而且已经发现了许多这样的例子。
每个黑洞周围都有一个视界:在这个区域内,任何东西,甚至光,都无法逃脱。任何落在视界边界的东西,不管它有没有质量,最终都会遇到黑洞的中心奇点,增加黑洞的总能量。然而,如果黑洞的质量/能量增加,视界的物理大小也会增加。
这是关于所有黑洞的深刻真理:它们的质量(或能量)越大,它们的视界的物理尺寸就越大。质量翻倍,视界半径就翻倍。一个60亿个太阳质量的黑洞的视界比一个只有6个太阳质量的黑洞大10亿倍。事实上,我们之所以能够直接拍摄黑洞的视界,是因为我们恰好有一个巨大的、超大质量的黑洞,距离我们只有5000万光年。
但黑洞更有意义的是,它们不断地发射辐射,导致它们非常缓慢地失去质量和蒸发。这样做的基本原理是,即使在完全真空的空间,即使有物质或能量存在,也总会有量子场。我们在这个宇宙中所具有的基本力和相互作用意味着支配它们的场无处不在。“真空”(或真空状态)解决方案是这些场所允许的最低能量状态。
但所有这些计算都是在平坦的非弯曲空间中完成的。如果你的空间是弯曲的,特别是如果它弯曲得很厉害(比如在黑洞的视界附近),场的最低能量状态将与平面空间的解不同。霍金辐射是通过计算弯曲空间(接近黑洞)和平坦空间(远离黑洞)解之间的重要差异而发现的。
我们从霍金辐射中学到的东西是极其重要的。它告诉我们:
释放了多少辐射,
质量/能量损失率是多少,
这取决于黑洞的总质量和视界的大小,
以及黑洞辐射的温度。
这可能是一个违反直觉的结果,但由于更大、质量更大的黑洞有更大的事件视界,对于质量最低的黑洞来说,霍金辐射的速度最快,能量最高。换句话说,质量最小、质量最低的黑洞是蒸发速度最快的黑洞。如果我们想知道最快的黑洞衰变速度有多快,我们需要看看质量最低的黑洞:2.5倍太阳质量。
当然,这些黑洞并不是孤立地存在于宇宙之外的。它们就像其他任何东西一样有可能遇到外面的一切:恒星、行星、气体、尘埃、等离子体、中微子、暗物质、辐射等等。即使你想象最极端的情况——星系间空间深处没有物质的黑洞——它仍然有两种主要来源的辐射要对付:星光和来自大爆炸的残余辉光。
宇宙中大约有上万亿个星系,天辰登录天辰平台网址平均每个星系中有上千亿颗恒星,以星光的形式加速穿过宇宙的总能量是巨大的:大约每立方米空间有800万电子伏特的能量。但是来自大爆炸余辉的能量,也就是宇宙微波背景辐射的能量,比这还要大30倍。
这意味着,我们必须比较两个速率,才能了解黑洞是在随时间主动衰变(损失的能量大于得到的能量)还是在增长(获得的能量大于损失的能量)。宇宙所能产生的最低质量黑洞所发出的霍金辐射是质量和能量的最大损失率,而黑洞从星光和宇宙微波背景中吸收的能量是质量和能量的最低损失率。
换句话说,它甚至都不接近。平均而言,来自宇宙微波背景的单个光子携带的能量是真实黑洞每秒发射的霍金辐射的100万倍。考虑到一个2.5倍太阳质量的黑洞每秒吸收1025个这样的光子,很明显,宇宙中的每个黑洞都在增长,而不是衰减。如果你想让你的黑洞衰减得更快,你有两个选择:
你可以降低它的质量
你可以等待。
如果你有一个只有水星质量大小的黑洞,那么它的霍金辐射率将足以抵消吸收的辐射,但是最小的黑洞的质量仍然是水星的1千4百万倍。如果等到宇宙大约1020岁时,吸收的星光和宇宙微波背景辐射的能量最终会低于霍金辐射的能量,但这要等到宇宙达到现在年龄的100亿倍时才会发生。
确实,宇宙中存在的每个黑洞都应该发射霍金辐射,如果你等得足够久,天辰娱乐线路所有这些黑洞最终都会衰变。但在我们的宇宙中,根据实际存在的黑洞,没有一个黑洞开始以有意义的方式衰变。从星光和宇宙大爆炸中遗留下来的辐射的数量和能量,确保了黑洞会吸收它,并比它们因辐射而损失的能量增长得快得多。
尽管霍金第一次发现黑洞确实会发出辐射已经45年多了,而且辐射的样子也肯定如此,但它太微弱、太稀疏,我们还没有探测到它。除非存在一个低质量的黑洞,或者我们愿意等待一个巨大的宇宙时间来冷却宇宙,否则我们将永远无法看到它。黑洞在成长,而不是在衰变,天体物理学告诉我们确切的原因。