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125億歲!宇宙中最古老的超大品質黑洞,揭示了黑洞的形成方式
2023/04/21

最近英國媒體發布了一份研究報告,一個美國科學家利用詹姆斯·韋伯天文望遠鏡發現了宇宙大爆炸后5.7億年形成的黑洞。

這個黑洞也是現今發現年齡最大的黑洞,可以幫助我們更好的了解黑洞的形成方式,以及這個黑洞是如何生存到現在的。

對于黑洞的形成,科學家們一直沒有統一的說法。讓大家比較信服的說法就是由恒星形成的,黑洞就是恒星死亡的產物。

恒星在宇宙中數量很多,種類也十分繁雜,但他們能夠以光和熱的形式將自身的能量輻射出去,恒星產生能量的原因都來源于一個物理反應--核聚變。

太陽輻射到地球的能量就是自身的粒子進行核聚變后釋放的能量,太陽的燃料一般都是氘或者是氚。

核聚變不但能夠產生能量,還會產生新的粒子。比如,鋰原子就可以由氫原子與氦原子聚變生成。因為原子是由原子核與核外電子構成,想要進行核聚變就要有足夠的能量克服電子之間的排斥力,簡單來說就是要克服正電荷與原子核之間同性相斥的斥力!

隨著相對原子品質越高,原子核的質子數與中子數就越多,其聚變的難度就越大,而產生聚變的能量就會越多。但核聚變也有極限,根據科學家的推算,核聚變最多只能進行到周期表第26號元素--鐵。

鐵原子要想進行持續可控的聚變反應理論上是不可能的,因為鐵原子的品質很大,而且原子核的質子數高達26個。

鐵原子進行核物理反應的過程,是需要獲取能量的,而且,強大的外界壓力足夠將核外電子壓進原子核中,這時,整個恒星就會變成品質更高,密度更大的中子星!

正常情況下,一個恒星的生命走到盡頭后,恒星內部的可控核聚變就會因為能量過大變的十分不可控,進而在短時間內將強大的能量釋放出去。但恒星內部的「星核」因為能量無處釋放同時也受到其他方向能量的擠壓,最終導致「星核」的能量向原子內部釋放。

原子被壓縮成中子后,再次被強大的能量擠壓形成塌縮,整個恒星的核心就被壓成一個品質極大,密度極大的形體,這就是黑洞的形成。正常來說,一個黑洞的形成需要一個恒星的死亡,而且還是一個超大的恒星。

科學家推測,要想形成黑洞,恒星的品質至少要是太陽的30倍以上才能夠實現。另外,還要在恒星在最后階段產生不穩定的能量,讓恒星進行爆炸才行。如果恒星采用緩慢釋放能量的方式結束生命,自身將變成白矮星或者其他能量更低的天體。

這次發現的黑洞有些不同,首先就是時間問題,這個黑洞的形成距離宇宙大爆炸只有短短的5.7億年,太陽已經燃燒了50多億年了,還沒有「老去」的跡象。這麼短的時間是很難讓一顆比太陽還要重的恒星「自然死亡」形成黑洞的!

而且,這次發現黑洞的品質還出奇的大,足足比太陽的品質重了1000萬倍。也就是說,形成這個黑洞的恒星也是一個超級恒星。但很快就有科學家指出,可能不是恒星造成的而是由宇宙大爆炸之后形成的大量的氣體直接塌縮而成的。

還有一種說法,就是這個超級黑洞可能是由多個小黑洞相互吞噬形成的。因為宇宙大爆炸后,宇宙中出現大量的粒子與能量,也形成了大量的恒星與星系。這之中就有可能有些小恒星發生爆炸進而塌縮形成黑洞。

在宇宙形成的初期,肯定會存在大量的黑洞,為什麼很少有發現的?因為這些黑洞可能已經消失了。黑洞也是天體,只不過比較特殊,因為品質極大,密度極高,黑洞就變成了宇宙中的「饕餮」,不同于其他天體,它只負責「進食」。

但是,正是因為貪吃,它可能吃進去很多不該吃的東西。很多高能粒子與大量高能輻射進入到黑洞體內后,被巨大的壓力將自身變成穩定狀態,這一過程自然會釋放掉自身的能量。物理學第一課:能量不會憑空產生也不會憑空消失。

這些能量自然會被轉移到黑洞本身。一個能量越高的物體,它本身就會變的不穩定,因此黑洞只能將能量進行釋放,或者積蓄下來。但不論那種方式,對于黑洞來說都是「不友好的」。過高的能量會導致黑洞不穩定,如果將能量輻射出去,自然要帶走黑洞的部分品質。

這一結論也符合熱力學定論與量子力學的規范。畢竟黑洞并不是絕對零度,作為天體還是存在熱量的,不過很低,一般都在2到3開爾文。這就存在與外界進行能量交換的可能性,如此一來,黑洞就會存在品質損失。

但黑洞的品質很大,想要通過這一方式「清除」一個黑洞還是需要很長時間的,至少目前還沒有出現過。因為黑洞一邊輻射出能量,同時自身還在不斷的「進食」,因此很多黑洞都在一個「收支平衡」的穩定狀態。

科學家還提出過一個理論,那就是黑洞自我衰變。因為宇宙中存在三種粒子,負電粒子,正電粒子與中性粒子。

黑洞本身也是由粒子構成的,在亞原子的角度來看,如果正電性的粒子與負電性的粒子進行碰撞,就會相互「堙滅」。如果黑洞吞下太多帶電性的粒子,由沒有很好的處理的話,就會造成自身衰變。

當然,黑洞也會進行處理這一問題。英國科學家就曾經發現一個名字叫NGC5195的星系中存在一個品質超級大的黑洞,足足是太陽品質的1900萬倍。

就是這樣一個「巨無霸」卻因為自身品質太大而進行「嘔吐」,排出了大量的帶電粒子。

如果黑洞選擇將能量自行處理,隨著黑洞的能量越來越多,自身的熱量自然會升高。根據上面的講解,黑洞會逐漸加速品質的流失。黑洞的品質越來越小,本身的能量卻越來越高,就會發生爆炸。

黑洞的爆炸威力要遠遠高于普通恒星的爆炸威力,相當于全世界所有的核武器同時爆炸產生的能量和的1000倍。

目前發現的黑洞多數都處于平穩期,有一些處于成長期。只有極少數的黑洞出現「頹勢」,自身的進食不足以彌補品質的損失。盡管如此,這些老年黑洞的消亡時間也會高達上億年。

不管怎樣,這次發現的黑洞為科學家打開了一扇新的大門。它的存在為宇宙的誕生和早期星系的形成提供了研究資料。也通過這次發現,科學家能夠進一步研究宇宙中的秘密。

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