科普走廊：带你了解黑洞的前世今生!
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带你了解黑洞的前世今生！ 每当我们仰望夜空，定会被“夜女士”那绝美的身姿所吸引。万千星辰，俏皮地眨着眼睛，捧出一轮明月，一切显得那么祥和而又美好。可是，在我们肉眼可视的距离之外，却有无数个“洪荒巨兽”在不断吞噬周围的一切，连光都无法逃脱它的魔爪，而它，就是黑洞。 恒星的生命历程 恒星和人类一样，也有从出生走向死亡的过程。只不过相比于人类，恒星的生命周期多达几百亿年，而黑洞，就是超大恒星走向死亡时的最终产物。 科学家们认为，恒星是由宇宙中的星际云形成的。将这种星际云类比成球体，它的直径可能长达100光年，质量可能相当于600万倍的太阳质量，里面充满了氢、氦等元素。由于星际云的质量分布不均匀，在万有引力的作用下，物质会被聚集到一起，密度增大，压强也随之增大。同时，根据角动量守恒定律，物质在被聚集的过程中，可能会发生旋转。随着过程持续进行，旋转速度越来越大，中心部位会产生热量，温度不断升高。当温度达到一定值，能够使氢聚变成氦的时候，一颗恒星由此诞生，此时的它被称为原恒星。根据原恒星的质量大小，恒星又分为四种类型，我们以太阳质量为标准进行分类： 当原恒星的质量小于0.08倍太阳质量时，由于它的质量太低，甚至无法引发氢聚变，所以它并没有形成恒星，就像是胎儿在子宫里发育不完全，是个死胎。科学家将它命名为褐矮星或者棕矮星。 当原恒星的质量在0.08～0.5倍太阳质量之间时，由于它的质量较小，发出的光偏红，于是就被称为红矮星。红矮星是寿命最高的恒星，长达几百亿年。 当原恒星的质量在0.5～8倍太阳质量之间时，它发出的光为黄色或黄白色，科学家称之为黄矮星。太阳就属于黄矮星，寿命大概为100亿年左右。 当原恒星的质量大于或等于8倍太阳质量时，它发出的光是偏蓝色的，我们称之为蓝色大恒星。例如在20世纪90年代，科学家经由哈勃望远镜所发现的一颗蓝色大恒星——手枪星，它的质量为100～150倍太阳质量，生命周期只有300万年左右。 恒星自诞生之日起，其核心就一直在进行核聚变，发出光并释放能量。恒星质量不同，核聚变程度也不一样。例如红矮星，它只能把氢原子聚变成氦原子，质量更大的黄矮星，则能将氦原子进一步聚变成碳原子，而蓝色大恒星可以将碳原子一直聚变下去，直到聚变成铁原子为止。可是我们都知道，核聚变可以释放出巨大的能量，倘若一颗恒星的内部核心一直在进行核聚变，那么这颗恒星为什么没有爆炸呢？答案就是因为引力与聚变这两种作用处于平衡状态。也就是说，由于引力的存在，恒星内部的核聚变是可控的，质量越大的恒星，其引力越强。 随着恒星不断释放能量，其质量也会不断减少，引力不断减弱。最终，核聚变将会脱离引力的控制变得愈发强烈，恒星由此步入了“晚年期”。 1 晚年时期的恒星（黄矮星），由于核聚变无法控制，半径会不断增大，像气球一样不断膨胀，变成红巨星。例如红巨星时期的太阳，其半径会是现在的100倍，地球将会被烤化。人类若想生存下去，只能移居别的星球或者把地球推向更远的地方，这便是著名科幻小说家刘慈欣的作品《流浪地球》。 当恒星变为红巨星之后，随着体积不断变大，密度不断变小，内部核心温度会不断下降，导致核聚变减弱，于是引力又重新占了上风。在引力作用下，红巨星的内核将会收缩，外围的物质则会形成星云，抛洒到宇宙中去，内核会形成白矮星。白矮星的密度非常大，相当于把太阳装到地球里。当白矮星耗尽内部所有的能量后，就会形成黑矮星。据科学家估计，由白矮星到黑矮星的过程十分漫长，长达几千亿年，这也是我们目前没有找到黑矮星的原因。 黑洞的产生 不同质量的恒星，其生命历程也会不同。例如红矮星，它会跨过红巨星阶段直接形成白矮星，而蓝色大恒星会形成红超巨星。 与红巨星向白矮星过渡相同的是，红超巨星也会经历内核收缩，外围物质向外抛洒的阶段。不同之处有两点：一是核聚变复杂程度不同，二是外围物质抛洒方式不同。红超巨星最外层是氢聚变，再深入一点，温度升高，可能是氦聚变，以此类推，最里层的核心物质为铁。当红超巨星开始收缩时，外围物质会从内部向外喷发而出，形成我们所熟知的超新星爆发（supernova），这个过程比星云的形成更加剧烈，中心会形成比白矮星密度更大的中子星，相当于把太阳放到一个城市里。当中子星的质量大于太阳质量的3倍时，引力会使中子星无休止地进行收缩、坍塌，连中子之间的排斥力都无法阻挡，直到形成一个密度几乎无限大，体积接近无限小的星体。超高质量产生的引力，导致的时空扭曲使任何靠近它的物质都会被吸进去，连光都无法例外，黑洞就由此诞生。 事实上，早在人类观察到黑洞之前，科学家们就已经意识到黑洞的存在。 1916年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了广义相对论，首次提出了引力场方程。同年，德国著名天文学家、物理学家卡尔·史瓦西通过求解引力场方程，发现宇宙中或许存在这样一种天体：当大量物质集中于空间一点时，该点附近会存在“视界”，一旦进入，连光都无法逃逸。后来，美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒将这种奇异的天体命名为“黑洞”。再后来，经由史蒂芬·霍金对黑洞进行的进一步研究，黑洞的神秘面纱也得以被揭开。 人能否通过黑洞穿越时空？ 要解释上面的问题，我们首先要了解一些黑洞的物理性质。 首先，黑洞的质量非常大，它所产生的引力，光都无法逃脱。其次，黑洞会导致时空弯曲。在黑洞周围存在“视界”，光在视界外时，是有机会逃离黑洞的，可一旦光进入视界，就再也无法逃离，只能被吸进黑洞。假如有一2 个人A在视界外以匀速靠近视界，那么在远处静止不动的观察者B看来，A是越来越慢的。最后，当A运动到黑洞中心时，B会发现A静止不动了，这就是引力导致的时空弯曲效应，越靠近黑洞，时间越慢。 当A进入黑洞中心后，剧烈的时空弯曲将会导致时空互换。我们现在所生存世界，时间是单向的，意味着我们不能回到过去；但是空间是双向的，我们既能向前也能向后。在黑洞中心，情况则相反，时间为双向，空间为单向。也就是说，A可以回到过去，但在空间上，他只能前往黑洞中心的“奇点”。最后，A还未进入黑洞中心，就会被巨大的引力场撕裂，导致死亡。 通过黑洞穿越时空，这种科幻电影里的场景理论上是有可能实现的。可问题在于以人类目前的技术，还无法克服巨大的引力，将人安全地送到黑洞中心。我们对黑洞的了解只是冰山一角，直到2019年科学家才获得黑洞的第一张照片。可惜的是霍金先生在2018年就去和爱因斯坦探讨科学了，没看到这张历史性的照片。可我相信，未来一定还会出现无数位“史蒂芬·霍金”，带领着人类探索宇宙的奥秘。 3 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/44f7c2ff28f90242a8956bec0975f46526d3a79d.html