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品質10千克的黑洞,壽命僅84飛秒,溫度卻高達120萬億億攝氏度!
2023/03/14

宇宙之大,無奇不有,一直以來人類都對星空外的世界充滿了好奇。隨著科技的發展,人類的航天夢逐漸成真,載人航天飛船,人造衛星不斷的被送入太空之中,幫助我們進一步的了解宇宙。

浩瀚的宇宙,一直另人著迷。

雖然現在我們對于星空外的世界有了更深層次的認識,但是宇宙浩瀚無垠,有許多奇妙的事物,以我們現在的能力也無法窺探其神奇之處,黑洞就是其中之一。

黑洞

宇宙中有許多天體,比如恒星,彗星,黑洞,它們組合在一起構成了宇宙中璀璨的星河,讓我們感受到了宇宙的震撼。黑洞是一種十分特殊的天體,具有極強的引力,能夠產生強烈的彎曲時空,在這個時空中的逃逸速度遠遠大于光速,也就是說即便是光陷入其中也無法逃脫,所以黑洞一直以來都蒙著一層神奇的面紗。

動態黑洞

根據愛因斯坦的相對論,黑洞的產生就伴隨著滅亡、當一顆恒星垂死崩潰時,它會向中心塌縮,而這個中心就將成為黑洞,吞噬掉周圍宇宙所有的光線和物質。

以目前人類的技術來看,黑洞就是只進不出的。我們在許多的影視作品里也能看到關于黑洞的故事情節,一旦墜入黑洞那也就意味著生離死別。

黑洞結構

作為一種神奇的天體,黑洞并不能直接觀測,只能以間接的方式來探測出它的存在和品質。黑洞的性質讓其在宇宙中幾乎是屬于無敵的存在,任何靠近它的物體都只能任由其吞噬,可即便如此,黑洞也并不是永生的,終歸有消逝的一天。

太陽結構

任何生命都有壽命,超過生命周期就會消亡,黑洞也同樣如此。據悉一個品質為10kg的黑洞,溫度可以達到120萬億億攝氏度,要知道太陽的核心溫度也只有1500萬攝氏度,這也使得黑洞的能量流逝速度飛快,壽命極短,它的壽命也只有84飛秒,一飛秒為千萬億分之一秒,所以這種小型黑洞的壽命可以說是轉瞬即逝。

黑洞

通常情況下,能夠演化成黑洞的恒星品質都是非常大的,甚至是太陽品質的十幾倍。恒星毀滅的最終歸宿就是黑洞,但是,并不是所有的黑洞都是由恒星形成的,宇宙大爆炸初期也形成了很多的黑洞,這種黑洞并不受奧本海默極限限制,所以有大有小。那些很小的黑洞轉瞬即逝,所以現在我們所發現的主要是大型黑洞。

宇宙大爆炸

在我們之前說到過,黑洞可以彎曲時空,即使光也無法逃脫,所以黑洞就是一個只進不出的天體,那它是怎麼對外散發出熱量的呢?顯而易見這是一個矛盾,那這是怎麼回事呢?

黑洞的壽命

關于這個問題,我們稱之為「黑洞信息悖論」,因為黑洞的性質,進入黑洞的物質攜帶的信息會完全消失,這違背了能量守恒定理。因為找不到解釋的理由,一些科學家認為這是黑洞的強大引力使得信息守恒定理失效。但這真的對嗎?答案是否定的。

霍金輻射

上世紀七十年代,霍金首次提出了黑洞蒸發(霍金輻射)理論,這一問題才得到了解決。霍金認為黑洞不斷地吸收周圍的物質,再通過黑洞蒸發失去品質。

相比之下,品質越大的黑洞,其蒸發速度較慢。據計算,太陽品質大小的黑洞將擁有一千多年的壽命。根據黑洞蒸發理論,每個黑洞都有輻射溫度,輻射溫度與黑洞品質成反比,品質越小,溫度越高,壽命越短,這也是為何品質為10kg的黑洞壽命僅僅只有84飛秒的原因。

人類的研究

霍金的發現,為人類對于黑洞的研究提供了大大的幫助。除了黑洞蒸發理論,霍金還在更早的階段提出了黑洞的面積不減的理論,也就是說黑洞的面積順著時間的方向不會減少,簡單而言就是黑洞的品質越大,面積越大。

霍金輻射

兩個黑洞可以融合成為一個黑洞,且面積大于之前的任意一個黑洞,但是同一黑洞不可分離成兩個,因為要保證表面積不變這一原理。不少人或許會說,既然黑洞的面積不減,那黑洞為何會死亡呢?

熵增定律

關于這一問題,科學家最后依然給出了答案。在霍金提出黑洞面積不變理論之后,僅僅過了一年,雅各布貝肯斯坦就提出了著名的熵增定律,并提出假設認為黑洞具有熵。

在我們的印象中,黑洞是冰冷的恐怖的,熵的提出也首次為黑洞帶來了溫度。這項假設可以說完全顛覆了人類的認知,由于沒有試驗證明,有許多科學家對此假設提出了懷疑態度,霍金也是其中之一。

之后霍金通過深入的研究,發現黑洞的確不是我們所想象的冰冷,而是可以發射出熱輻射的,這就是著名的霍金輻射。在狄拉克的正電子預言之后,人們逐漸發現真空漲落發生在宇宙的每一個角落,一旦發生真空漲落,也就意味著會出現能量欺負,同時伴隨著虛粒子對的出現。

霍金將這種漲落的情況設想到了黑洞附近,如果在黑洞附近產生虛粒子對,是否就能產生熱輻射呢?虛粒子對是由正負兩個粒子組成,存在的時間非常短暫,如果在產生的過程中,虛粒子被黑洞吸入會如何呢?

宇宙深處的「黑洞」

如果正負粒子同時被吸入黑洞,那麼并不會引起什麼反應,如果正能粒子進入黑洞,負能粒子在外面也會隨之消失。可是當負能粒子被吸入黑洞后,正能粒子會存在于外部世界。在這種情況下,負能粒子會消耗黑洞的一點點品質,另一個粒子則會從黑洞附近飛走,帶走部分熱量,這就是霍金輻射的原理。

模擬黑洞圖

霍金的這一發現也進一步證實了黑洞為何會產生熱輻射。熱輻射也就是意味著黑洞的能量在流失,如果黑洞無法得到其他物質能量的補充,通過這種熱輻射逐漸的消耗能量,黑洞終有一天會消失殆盡,這也就意味著黑洞也存在壽命。

黑洞的最終歸宿

根據黑洞面積不變定理,黑洞的面積不會減少,但品質卻可以不斷增加,兩個甚至多個黑洞也可以不斷融合。我們知道恒星的最終歸宿就是黑洞,那麼黑洞是否還能進一步演化呢?答案是肯定的。

恒星一生

黑洞可以不斷的吞噬大量物質,而且還會伴隨發射出強烈的X射線輻射。這樣就意味著黑洞可以無限變大,品質越大,壽命也就越長。有的巨大的黑洞的壽命甚至從宇宙誕生至今就存在。

目前宇宙的背景輻射溫度是2.7k左右,對于絕大多數黑洞而言,可以直接從宇宙的背景輻射中吸收能量,所以這些黑洞的品質還在不斷的增加。

宇宙微波背景輻射

當然,即便是再大的黑洞也不可能得到永生,隨著宇宙的膨脹,微波背景輻射已經從誕生時的狀態降低到了現在的2.7k,未來的日子里可能還會進一步降低。黑洞所能獲取的能量也會越來越少,最后消亡。

展望未來

事實上,目前我們并沒有發現過10kg的黑洞,但是在宇宙早期存在的原初黑洞中,不乏品質小于10千克的,只不過因為霍金輻射而消失。我們之所以知道10千克的黑洞壽命為84飛秒,這是根據黑洞的壽命公式得來的。

黑洞的壽命公式

根據了解,我們不得不感嘆宇宙的奧妙,同時也對那些為科研奮斗、孜孜不倦的科學家產生欽佩。目前以我們的科技實力,也只能通過一些推力對宇宙中的神奇現象進行研究。

超大品質黑洞

盡管我們對于黑洞已經有了了解,但是黑洞對于我們而言依然是充滿危險,我們對黑洞的印象也是冰冷和恐懼。但是我相信未來隨著科技發展,人類或許可以打破空間的局限,對黑洞有進一步的了解。

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