黑洞是一種極端天體,是天體食物鏈的頂端,宇宙中不管是恒星還是星云物質(zhì),只要進入了黑洞的勢力范圍,都無一例外地被其黑乎乎的大口吞噬,咀嚼過程會在大口(事件視界)外迸發(fā)出耀眼的光亮,最終連一點骨頭渣子都不剩,真可謂吃星不吐骨頭,連光也被吞噬。
那么,黑洞每天吃呀吃,光吃不拉,這些吃的東西都到哪里去了呢?其實在民間有一種傳說,有點像這個黑洞習(xí)性,就是龍生九子各個不同,其中有一個龍的兒子叫貔貅,就是沒屁眼的貨,光吃不拉,吃得肚子脹鼓鼓的。
這種玩意本來就不符合生物學(xué)規(guī)律,光吃不拉肯定不消化,最終不就會脹死了?但財迷心竅的人們就喜歡這個,覺得這玩意能夠聚財,因此生意人老喜歡弄個貔貅擺件放在桌子上,或者弄個貔貅掛件掛在脖子上,取其聚財之意。怪不得民間有一句俗語叫“越有越棍”,就是越有越吝嗇之意,這不正合了這種光吃不拉的秉性嗎?
黑洞也光吃不拉,貔貅會吃大肚子,黑洞也會越吃越大,就是它的史瓦西半徑(事件視界)會越來越大。但黑洞不是生物,因此無需符合生物學(xué)規(guī)律,不會被脹死。那么黑洞吃的東西都到哪去了呢?
要弄清這個,就要想了解一些黑洞的尸骸兄弟們
恒星死亡后會留下一個殘骸,有人也把他們叫做尸骸。尸骸有幾種,一種比一種厲害。按常規(guī)邏輯,恒星越大,尸骸當(dāng)然就會越大,反之就越小。但奇怪的是這些尸骸正好相反,越大的恒星尸骸越小,越小的恒星尸骸越大。
比如最小的紅矮星,最終的尸骸就是一個冷卻后稍微收縮的星球,叫黑矮星,大小大概和土星、木星差不多,體積有地球至少百倍以上(上圖);質(zhì)量大于太陽0.8倍到8倍以下的恒星,死后的尸骸就有地球這么大,叫白矮星,但質(zhì)量卻有太陽的0.5~1.4倍,相當(dāng)?shù)厍蛸|(zhì)量的十幾萬到幾十萬倍;比太陽質(zhì)量大8倍到30倍以內(nèi)的恒星,死后留下的尸骸只有約10千米半徑,叫中子星,質(zhì)量至少有太陽的1.44倍到2倍多;比太陽質(zhì)量大30倍以上的恒星,死后尸骸半徑只有幾千米,質(zhì)量卻大于太陽3倍以上。
由此我們可以看出,越大質(zhì)量的恒星,死后的尸骸越小,質(zhì)量卻越大。這說明一個什么問題呢?就是質(zhì)量越大的恒星,核心壓力越大,把物質(zhì)壓縮得越致密。而人類對物質(zhì)的認(rèn)識,只能到達(dá)中子簡并壓物質(zhì),也就是依靠中子與中子之間斥力保持物質(zhì)有形狀態(tài)的物質(zhì),這就是中子星物質(zhì)。
中子星物質(zhì)密度可達(dá)1立方厘米億噸以上,最高可達(dá)數(shù)十億噸。在這個基礎(chǔ)上,如果中子星質(zhì)量再增加,達(dá)到3個太陽質(zhì)量左右時,中子簡并壓就無法支撐物質(zhì)的有形狀態(tài)了,就會無限坍縮,變成一個體積無限小的奇點,這就是黑洞。
也就是說黑洞里的物質(zhì)已經(jīng)不是人類所認(rèn)識的物質(zhì),也可以說是屬于超時空物質(zhì)。何謂超時空?就是不屬于我們四維時空的世界了,而是另一個其他維度世界的東西了。
人類認(rèn)識的物質(zhì)形態(tài)
我們?nèi)祟惼癜l(fā)現(xiàn)世界存在118種元素,我們認(rèn)識的所有物質(zhì)都由這118種元素組成。這些物質(zhì)或由單一元素組成,或由許多元素合成,這就是我們看到千姿百態(tài)的世界。元素都是由原子組成的,因此物質(zhì)的基本性質(zhì)是由原子而體現(xiàn)出來的。
到了白矮星這個層次,物質(zhì)就已經(jīng)脫離了118種元素的概念,因為體現(xiàn)物質(zhì)性質(zhì)的原子在這個時候已經(jīng)被壓垮了,但這時的原子核還保持著完整形態(tài)。這是因為電子與電子之間的斥力,形成了電子簡并壓,奮力抵御著引力導(dǎo)致的向心壓力,維系著物質(zhì)形態(tài)不垮塌。
這種狀態(tài)下,原子雖然已經(jīng)被壓扁,外圍電子被壓跑成為自由電子,但電子與電子之間的斥力讓電子之間無法靠攏,形成電子海洋,而原子核就在這片電子海洋中蕩漾,依然保持著優(yōu)雅的完整形象。
這種電子簡并壓、中子星簡并壓現(xiàn)象,是一個叫泡利的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的,因此人們把這種現(xiàn)象叫泡利不相容原理,就是所有費米子粒子都有相互排斥不靠攏的性質(zhì),而電子、中子、夸克都屬于費米子粒子。
依靠電子簡并壓維系的白矮星,原子還保留著核的完整,到了更大的恒星發(fā)生超新星爆炸后,核心壓力超過了電子簡并壓能夠承受的狀態(tài),物質(zhì)就垮塌成一個中子星。這時候的原子就完全被破壞了,壓碎了,電子再也無法保持自由電子狀態(tài),而被巨大壓力壓進了原子核,帶負(fù)電的電子與帶正電的質(zhì)子中和后成為了中子,加上原有的中子,整個星球就成為了一個巨大的中子核。
中子星整個成為一個大中子核,只是一種大致情況,實際上從表面到核心,其密度是梯次增加的,在表面和淺處,還存在著一些沒有完全被壓進原子核的電子,從這個意義上來說,中子星并非鐵板一塊,完全是中子組成。但白矮星和中子星都不再是我們認(rèn)知的元素性質(zhì)物質(zhì)了,是物質(zhì)的第五和第六態(tài)。
宇宙中有夸克星存在嗎?
理論上,中子簡并壓被壓垮后,還有夸克簡并壓支撐,因此有人提出,宇宙中可能存在夸克星。這種天體比中子星更小,質(zhì)量卻比中子星更大。但迄今并沒有觀測到這種天體,夸克星到底存不存在就還是一個懸案?,F(xiàn)在比較流行的理論是,當(dāng)中子星質(zhì)量到達(dá)奧本海默極限時,就會坍縮成一個黑洞。奧本海默極限目前沒有精準(zhǔn)量化定義,一般認(rèn)為在3個太陽質(zhì)量左右。
既然黑洞物質(zhì)已經(jīng)不是我們認(rèn)識的物質(zhì),那么這些物質(zhì)到哪里去了也就無從查考了。其實根據(jù)現(xiàn)在理論,這些物質(zhì)雖然不見了,但都還在黑洞中。因為人們雖然看不到它,但黑洞張揚的個性把其質(zhì)量和角動量、電荷都暴露了。
這就是黑洞的史瓦西半徑,或者叫事件視界。
所有黑洞無論質(zhì)量大小,即便是迄今已知1040倍太陽質(zhì)量的最大黑洞,即編號為SDSS J073739.96+384413.2的黑洞,中心也只有一個無限小的奇點,但這個奇點所形成的史瓦西半徑就與質(zhì)量成正比了。
史瓦西半徑是任何物質(zhì)都具備的一個質(zhì)量臨界值,就是任何物質(zhì)一旦被壓縮進這個臨界值,就會無限坍縮成一個奇點,并在臨界值處形成一個球狀極端奇異空間,這個空間當(dāng)然就與質(zhì)量成正比了。在史瓦西半徑臨界處被稱為事件視界,這里是黑洞能看見部分和看不見部分的交接處。
黑洞質(zhì)量、角動量、電荷影響就在視界處形成,所有靠近這里的物質(zhì)會被黑洞巨大引力形成一個吸積盤,發(fā)著明亮的可見光和X射線,甚至伽馬射線,由此黑洞才被人類所觀測。當(dāng)物質(zhì)被吸入事件視界以內(nèi)時,一切就都看不見了。
雖然進入黑洞的物質(zhì)都看不見了,但通過其對周邊時空導(dǎo)致的影響,史瓦西半徑的大小,可以計算出這個黑洞的質(zhì)量,因此可以肯定的是這些物質(zhì)都還在黑洞里面,并沒有消失。有一種理論認(rèn)為,黑洞奇點處是一個時空轉(zhuǎn)換節(jié)點,在那個地方我們世界的時空消失,而在超時空出現(xiàn)。鑒于此,有人認(rèn)為在奇點處可以實現(xiàn)時空穿越,但這種猜想永遠(yuǎn)也無法證實。
黑洞吃下的東西會吐出來嗎?
理論上,黑洞也不是光吃不吐,已經(jīng)逝世的著名科學(xué)家霍金就創(chuàng)立了一個理論,叫霍金輻射,也叫黑洞蒸發(fā)。這個理論認(rèn)為,黑洞里的物質(zhì)也并不是一點也不吐出來,它會以輻射或蒸發(fā)的方式不斷減少自己質(zhì)量。
但這種釋放只是量子級的,只有極少數(shù)粒子逃脫而形成黑洞蒸發(fā)。這種蒸發(fā)的速度是黑洞越小越快,越大越慢,只有原子級別黑洞會瞬時蒸發(fā)殆盡,稍大的黑洞所吸收的宇宙背景輻射或星際物質(zhì),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蒸發(fā)量,因此需要長得令人發(fā)指的時間才能夠蒸發(fā)完。
經(jīng)過計算,1個太陽質(zhì)量黑洞蒸發(fā)時間需要10^64年,也就是1后面跟著8個億年,宇宙中最大黑洞蒸發(fā)時間需要10^100年。這個時間早就大大超過科學(xué)界估算的宇宙壽命了。由此看來,黑洞吃下去的物質(zhì)會牢牢深藏里面,誓與宇宙共存亡!