黑洞的主要特征是,当物质被挤压到一个非常小的体积时,就会形成黑洞,它的引力会产生一个事件穹界,没有任何东西能从事件穹界中逃脱,甚至光也不能。
事件视界内的一切都呈现为 "黑色",并在其中心落入一个体积为零、密度为无限的奇点。
事件视界外是一个 "光子球",光被困在一个圆形轨道上,处于逃逸和落入之间的中点。
光仍然可以逃出光子球,但前提是从光子球和事件穹界之间的东西向外发射。
在光子球之外,一些黑洞(约占 1%)以厄运物质的吸积盘为食,其中约有 10%的黑洞会将部分物质转化为喷流,以相对论速度从两极喷射出来。
黑洞是如何分类的?
黑洞的主要特征是它的引力,这反映在它的事件视界("施瓦兹柴尔德半径")的大小上,而事件视界的大小是由它的质量决定的。因此,黑洞是按照质量来分类的。
这些宇宙巨兽还能旋转并携带电荷,不过这些特征在这里并不重要,因为所有天体物理黑洞都会旋转,任何电荷都会被相反的电荷中和。
下面用太阳质量来表示五种黑洞的质量。太阳的质量是 2 × 1030 千克(2 后面有 30 个零)。因此,"5 个太阳质量 "的黑洞是太阳质量的五倍。
旋转黑洞的艺术家印象图。黑洞之所以会旋转,是因为它们是由旋转的物体形成的,必须保持角动量。
1. 原始黑洞,普遍性:未知(假设)。形成时间:宇宙早期,质量范围 10-8 千克 - 100,000 太阳质量。
黑洞通常质量很大,因为它们是由恒星形成的,有足够的引力将物质压成奇点所需的密度。不过,密度也可以通过其他方式达到。
在宇宙大爆炸后的第一秒,宇宙的密度和湍流足以产生局部的粒子袋,这些粒子被足够的力量挤压在一起,形成了 "原始黑洞"。
其中一些比羽毛还轻(几毫克),已经通过释放霍金辐射 "蒸发 "了。其他比小行星还重的黑洞今天应该仍然存在,其中一些可能经过数十亿年的时间才长到 "超大质量 "的大小。
黑洞如何 "发射 "霍金辐射?
霍金辐射实际上来自事件视界之外,以及被黑洞质量 "弯曲 "的空间区域内(想象一个球静止在一张薄板上)。
斯蒂芬-霍金假设存在原始黑洞,但目前还没有观测到。考虑到黑洞的大小和不可见性,这并不奇怪。
一些物理学家甚至认为,原始黑洞可以解释 "暗物质 "之谜。
2. 恒星黑洞,普遍存在: ~每个星系约有 1 亿个(约 2 000 亿个星系),形成:恒星死亡,质量范围 3 - 100 太阳质量。
当一颗大质量恒星耗尽燃料并坍缩时,就会形成恒星黑洞。在坍缩之前,恒星的氢燃料聚变产生了一种向外的压力,这种压力抵消了重力,使恒星保持稳定("流体静力学平衡")。
没有了这种压力,恒星就会在超新星中甩掉外层,留下一个坍缩成奇点的残余物。
如何探测黑洞?
探测黑洞的方法有很多,比如在双星系统中,黑洞会将另一颗恒星的物质吸入吸积盘。物质被加热并发射出可以观测到的 X 射线。
相对论喷流也会发射 X 射线,不过这在较大的黑洞中更为常见。最后,黑洞会产生引力波(例如,在合并时),它们会弯曲并聚焦它们移动到前面的恒星的光线(引力透镜)。
如果恒星的质量不大,它的坍缩不会产生足够的密度来形成黑洞。我们的太阳会变成白矮星,而更大的恒星则会变成中子星,这两种恒星都是密度非常高的物质形式。
只有质量超过 ~20 个太阳质量的恒星才会留下残余物,产生足够的引力来形成黑洞。
这种残余物的质量必须超过托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限,即大约 2.01 到 2.16 个太阳质量。
艺术家眼中的恒星黑洞(左),它曾是双星系统的一部分,现在从其伴星(右)中汲取物质。
3. 超大质量黑洞,普遍存在: ~每个星系 1 个(~2000 亿个星系),形成:原始,或多个恒星死亡,质量范围 100,000 - 100 亿个太阳质量。
几乎每个星系的中心都有一个超大质量黑洞。它们的形成可能需要多颗大质量恒星(如红超巨星)的坍缩,这些恒星的燃料消耗很快,寿命不到 1 亿年(相比之下,恐龙的寿命更长)。
由此产生的黑洞可能会结合起来,在每个星系的中心迅速形成一个超大质量黑洞。
另一种可能是,超大质量黑洞是在宇宙早期由原始黑洞形成并长大的,后来星系在它们周围凝聚。
在极少数情况下,一个超大质量黑洞会因为与另一个星系合并而被抛出它所在的星系。
在这种情况下,两个超大质量黑洞会相互作用并产生引力波,这种引力波在一个方向上可能会更强(例如,如果它们的自旋反向对齐)。
合并后,合并的 超大质量黑洞会从这个方向反冲,以保存动量。这种情况很可能发生在CID-42星系和3C 186星系团中。
银河系的中心是人马座A*,它有400万太阳质量,距离银河系27000光年。这对于超大质量黑洞来说是很小的。
附近仙女座星系(2.5m 光年)中的黑洞大约有 1 亿个太阳质量。Messier 87星系(55米光年)中的黑洞大约有6.5b个太阳质量。
最大的超大质量黑洞可能位于凤凰A星系(8.6亿光年),约为1亿个太阳质量。
两个超大质量黑洞,位于梅西耶87星系中心的M87*(左),以及位于银河系中心的人马座A*(右)。
4. 类星体,发生率: 占超大质量黑洞的 5%-10%。形成:超大质量黑洞周围的物质吸积,质量范围 100,000 - 1000 亿个太阳质量。
一些超大质量黑洞会聚集一个大吸积盘,其中的物质被撞击在一起,发出各种电磁辐射(无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线)。
这些 "活动星系核 "的亮度是其宿主星系的数倍,被称为类星体。
宇宙中最亮的类星体在 33 光年外看起来就像太阳一样亮。这颗类星体每年吞噬的物质相当于一千个太阳,或每秒吞噬十个地球。
当类星体的吸积盘耗尽时,类星体就会变成普通的超大质量黑洞,这也是类星体在宇宙早期比较常见的原因,不过星系合并也会产生类星体。因此,最近的类星体在 6 亿光年之外。
喷流是类星体在快速旋转时产生的,类星体的 "日冕 "由弥散物质组成,能产生强大的磁场(该磁场似乎具有类似 DNA 的螺旋结构)。
5. 中等质量黑洞,普遍程度:未知(假设),形成:原始,或多个恒星死亡,质量范围 100 - 100,000 太阳质量。
中等质量黑洞的质量范围,介于恒星黑洞和超大质量黑洞之间。与超大质量黑洞一样,它们也可能是由早期宇宙中的原始黑洞成长而来的,也许在许多黑洞成长为超大质量黑洞之前就已经存在了。
因此,中等质量黑洞可能仍然存在于较小的 "矮 "星系中心,因为星系核的质量与其宿主星系的质量有关。
不过,这些星系的质量通常为~100,000太阳质量,可以归类为中等质量黑洞。
在较低质量范围内,恒星黑洞的合并可以形成 中等质量黑洞。不过,这种合并通常接近 100 个太阳质量,可以归类为 "恒星"。
不过,黑洞合并可能是在球状星团中产生约1000个太阳质量的中等质量黑洞的一种机制,在球状星团中,许多恒星在很近的地方诞生和死亡。
一些证据表明,Messier 4星团中有一个800个太阳质量的中等质量黑洞,这表明一个星团可以表现得像一个中间有一个(相对)小黑洞的小星系。
关于黑洞的持续研究,有恒星坍缩形成的恒星黑洞,也有位于星系中心的超大质量黑洞,其中有些黑洞因为吸积物质而成为极其明亮的 "类星体"。
可能还有其他介于恒星和超大质量黑洞之间的黑洞,以及更小的原始黑洞,但这方面的研究仍在进行中。
事实上,科学界对黑洞的兴趣之浓厚可与天体本身的巨大相媲美。新的望远镜和成像方法在不断研发,新的发现也在不断出现。
十年之后,我们对黑洞的了解将远远超过今天。
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