不是所有的恒星都会演化成黑洞,但所有的黑洞终将会消失

收藏        2020-03-26   来源:瑾轩微人生

为什么一些恒星终将演化成黑洞?

这是恒星的引力与内压力所决定的。两种力相互对立,恒星的引力作用于恒星表面物质,使物质有内陷的趋势。同时,恒星的内压力在恒星表面产生向外的力,使物质有向外扩张的趋势。当这两种力达到平衡(即强度相等)时,恒星体积保持现有尺寸:既不会坍塌也不会膨胀。太阳与地球也是如此。

不是所有的恒星都会演化成黑洞,但所有的黑洞终将会消失

图解: 低质量恒星(左循环)和高质量恒星(右循环)演化的循环,对应的例子以斜体字呈现。

然而,当一颗恒星耗尽核燃料,在持续地经由恒星表面丧失能量(通过光能的形式)的同时,无法通过核聚变(由于没有更多的核燃料)填补损失的能量,引力将超过内压力,引起恒星会缓慢收缩或迅速坍塌。引力之所以会超过恒星的内压力,是因为内压力由热气体所产生的,当恒星从地表向外辐射能量时,会带走气体的能量。

不是所有的恒星都会演化成黑洞,但所有的黑洞终将会消失

图解:艺术家观念下在高密度分子云诞生的恒星。

因此,恒星能否演化成黑洞。这取决于其他来源的压力(除了由正常热气体产生的压力外)能否大到足以平衡内向的引力,使得恒星的坍缩止于某个小体积处。在热气体产生的压力之外,还有其他形式的压力。将手按在桌面上,可以让您体验到其他形式的压力之一——感受到桌子的挤推,实际上它可以支撑你的体重(引力)!这种压力使得桌子支撑起你的体重,来自桌子内原子间的力。

不是所有的恒星都会演化成黑洞,但所有的黑洞终将会消失

图解:质子-质子链的回顾,做为恒星核合成的一部分,依据恒星的质量和内部结构,在核心内会发生各种不同的核聚变反应。原子在融合后的净质量会略小于融合前的原子质量总和,这些失去的质量,依照质能等价的关系:E = mc^².,被转换成能量。

此外,原子内的电子会互斥(比如说,电子不会全部在同一个原子“轨道”上运动——这称作“不相容原理”)。因此,假定我们有这么一个互斥的自由移动的电子集合:对这个集合压缩的越紧(它们受限的体积越小),它们对压迫的反抗越强烈——这种压力反作用于你对电子的束缚。

当恒星经引力坍缩到如地球这般大时,“电子回避”压力才足以平衡太阳质量大小的恒星所产生的引力。因此当如太阳一般大的恒星坍缩到地球大小的尺寸时,可以避免其演化成黑洞,并且内部的“电子回避”压力(称为“电子简并压力”)的强度足以撑起恒星。这种压力不依赖于于恒星所含的能量——即使恒星持续地经表面丧失能量,该压力也能支撑着恒星。这就是为什么我们的太阳永远不会成为一个黑洞的原因。

不是所有的恒星都会演化成黑洞,但所有的黑洞终将会消失

图解: 电子简并压强是由泡利不相容原理产生的力,说明两个费米子不能同时占有相同的量子态,这种力量也是物质可以被压缩的极限。在恒星物理中,这是一个很重要的物理量,因为它造就白矮星的存在。

然而,质量为太阳3至5倍的恒星,引力更强,电子简并压力不足以阻止其坍缩。事实证明,中子也遵循不相容原理,同样不能阻止大质量恒星坍缩——根据现有推测,任何超过3至5倍太阳质量的物体都无法停止坍缩,都将演化成黑洞。

在非常遥远的未来,黑洞可能会泄漏并散开。这事会发生吗?如果会,又如何发生?

或许你知道,任何落入黑洞的物体都无法逃脱。然而,很长一段时间后,物质的粒子会从黑洞中“泄漏”出来。因此,即使宇宙中的所有物体最终都被吸入黑洞中,经过漫长时间之后,这些洞会逐渐逸失自身的物质,物质会弥散在宇宙中散(作为一种粒子气体)。

不是所有的恒星都会演化成黑洞,但所有的黑洞终将会消失

图解:位于M87中心的超大质量黑洞,推估质量达太阳的数十亿倍。这是人类史上第一张直接对黑洞观测的天文影像,由事件视界望远镜所拍摄,发表于2019年4月10日。

黑洞失去质量的过程称作“霍金辐射”,霍金是第一个计算出这过程如何发生的。要描述它发生的过程极为复杂。解释方法之一是使用“虚拟粒子”的概念。在任何时候,随处都有粒子-反粒子产生和湮灭,甚至在黑洞的事件视界(“表面”)附近也不例外。这些粒子对存在时间极短,短到我们无法准确地测量它们的质量,甚至无法知道它们的存在(由粒子对引起的其他现象可知晓它们的存在)。但是,对于黑洞周围的粒子对来说,其中一个粒子可能会被吸入黑洞,留下另一个孤单的粒子。通常情况下,此时留下的这个粒子就不会因已经消失的粒子而迅速湮灭。

不是所有的恒星都会演化成黑洞,但所有的黑洞终将会消失

图解:大麦哲伦云面前的黑洞(中心)的模拟视图。请注意引力透镜效应,从而产生两个放大,以星云最高处扭曲的视野。银河系星盘出现在顶部,扭曲成一个弧形。

所以,留下的这个孤单粒子不再是“虚拟的”,而是“真实的”粒子,正如我们体内任何一个粒子一样。由于这个粒子现在是真实的,它便包含一定的质量,这质量是由黑洞的能量(通过黑洞引力)提供的:真实粒子能存在是因为从黑洞中获取了质量。由此,以黑洞外形成新粒子的形式,黑洞损失了质量。黑洞失去质量的过程非常缓慢(至少对于恒星演化成的大质量黑洞来说是这样),所以典型黑洞最终消失所需的时间非常长。(对于质量相当于太阳质量的黑洞来说,整个过程将持续〖10〗^66年)。

相关天文知识

恒星演化是恒星随着时间的推移而变化的过程。根据恒星的质量,它的寿命可以从质量最大恒星的几百万年到质量最小恒星的万亿年,这是比宇宙年龄还要长许多的时间。这张表格显示恒星寿命与其质量的关联性。 所有的恒星都诞生于气体和尘埃云,也就是通常所说的星云或分子云。在数百万年的时间里,这些原恒星达到稳定的状态,成为所谓的主序带中的恒星。

不是所有的恒星都会演化成黑洞,但所有的黑洞终将会消失

图解:艺术家描述的类太阳恒星的生命周期。从左下角的主序星开始,然后膨胀经过次巨星和巨星的阶段,直到在右上角将外层抛离,形成行星状星云。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. phys-孟冬

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