黑洞有能力吃掉恒星,这些被吃掉的物质去了哪里?
黑洞是一种极端天体,是天体食物链的顶端,宇宙中不管是恒星还是星云物质,只要进入了黑洞的势力范围,都无一例外地被其黑乎乎的大口吞噬,咀嚼过程会在大口(事件视界)外迸发出耀眼的光亮,最终连一点骨头渣子都不剩,真可谓吃星不吐骨头,连光也被吞噬。
那么,黑洞每天吃呀吃,光吃不拉,这些吃的东西都到哪里去了呢?其实在民间有一种传说,有点像这个黑洞习性,就是龙生九子各个不同,其中有一个龙的儿子叫貔貅,就是没屁眼的货,光吃不拉,吃得肚子胀鼓鼓的。
这种玩意本来就不符合生物学规律,光吃不拉肯定不消化,最终不就会胀死了?但财迷心窍的人们就喜欢这个,觉得这玩意能够聚财,因此生意人老喜欢弄个貔貅摆件放在桌子上,或者弄个貔貅挂件挂在脖子上,取其聚财之意。怪不得民间有一句俗语叫“越有越棍”,就是越有越吝啬之意,这不正合了这种光吃不拉的秉性吗?
黑洞也光吃不拉,貔貅会吃大肚子,黑洞也会越吃越大,就是它的史瓦西半径(事件视界)会越来越大。但黑洞不是生物,因此无需符合生物学规律,不会被胀死。那么黑洞吃的东西都到哪去了呢?
要弄清这个,就要想了解一些黑洞的尸骸兄弟们
恒星死亡后会留下一个残骸,有人也把他们叫做尸骸。尸骸有几种,一种比一种厉害。按常规逻辑,恒星越大,尸骸当然就会越大,反之就越小。但奇怪的是这些尸骸正好相反,越大的恒星尸骸越小,越小的恒星尸骸越大。
比如最小的红矮星,最终的尸骸就是一个冷却后稍微收缩的星球,叫黑矮星,大小大概和土星、木星差不多,体积有地球至少百倍以上(上图);质量大于太阳0.8倍到8倍以下的恒星,死后的尸骸就有地球这么大,叫白矮星,但质量却有太阳的0.5~1.4倍,相当地球质量的十几万到几十万倍;比太阳质量大8倍到30倍以内的恒星,死后留下的尸骸只有约10千米半径,叫中子星,质量至少有太阳的1.44倍到2倍多;比太阳质量大30倍以上的恒星,死后尸骸半径只有几千米,质量却大于太阳3倍以上。
由此我们可以看出,越大质量的恒星,死后的尸骸越小,质量却越大。这说明一个什么问题呢?就是质量越大的恒星,核心压力越大,把物质压缩得越致密。而人类对物质的认识,只能到达中子简并压物质,也就是依靠中子与中子之间斥力保持物质有形状态的物质,这就是中子星物质。
中子星物质密度可达1立方厘米亿吨以上,最高可达数十亿吨。在这个基础上,如果中子星质量再增加,达到3个太阳质量左右时,中子简并压就无法支撑物质的有形状态了,就会无限坍缩,变成一个体积无限小的奇点,这就是黑洞。
也就是说黑洞里的物质已经不是人类所认识的物质,也可以说是属于超时空物质。何谓超时空?就是不属于我们四维时空的世界了,而是另一个其他维度世界的东西了。
人类认识的物质形态
我们人类迄今发现世界存在118种元素,我们认识的所有物质都由这118种元素组成。这些物质或由单一元素组成,或由许多元素合成,这就是我们看到千姿百态的世界。元素都是由原子组成的,因此物质的基本性质是由原子而体现出来的。
到了白矮星这个层次,物质就已经脱离了118种元素的概念,因为体现物质性质的原子在这个时候已经被压垮了,但这时的原子核还保持着完整形态。这是因为电子与电子之间的斥力,形成了电子简并压,奋力抵御着引力导致的向心压力,维系着物质形态不垮塌。
这种状态下,原子虽然已经被压扁,外围电子被压跑成为自由电子,但电子与电子之间的斥力让电子之间无法靠拢,形成电子海洋,而原子核就在这片电子海洋中荡漾,依然保持着优雅的完整形象。
这种电子简并压、中子星简并压现象,是一个叫泡利的科学家发现的,因此人们把这种现象叫泡利不相容原理,就是所有费米子粒子都有相互排斥不靠拢的性质,而电子、中子、夸克都属于费米子粒子。
依靠电子简并压维系的白矮星,原子还保留着核的完整,到了更大的恒星发生超新星爆炸后,核心压力超过了电子简并压能够承受的状态,物质就垮塌成一个中子星。这时候的原子就完全被破坏了,压碎了,电子再也无法保持自由电子状态,而被巨大压力压进了原子核,带负电的电子与带正电的质子中和后成为了中子,加上原有的中子,整个星球就成为了一个巨大的中子核。
中子星整个成为一个大中子核,只是一种大致情况,实际上从表面到核心,其密度是梯次增加的,在表面和浅处,还存在着一些没有完全被压进原子核的电子,从这个意义上来说,中子星并非铁板一块,完全是中子组成。但白矮星和中子星都不再是我们认知的元素性质物质了,是物质的第五和第六态。
宇宙中有夸克星存在吗?
理论上,中子简并压被压垮后,还有夸克简并压支撑,因此有人提出,宇宙中可能存在夸克星。这种天体比中子星更小,质量却比中子星更大。但迄今并没有观测到这种天体,夸克星到底存不存在就还是一个悬案。现在比较流行的理论是,当中子星质量到达奥本海默极限时,就会坍缩成一个黑洞。奥本海默极限目前没有精准量化定义,一般认为在3个太阳质量左右。
既然黑洞物质已经不是我们认识的物质,那么这些物质到哪里去了也就无从查考了。其实根据现在理论,这些物质虽然不见了,但都还在黑洞中。因为人们虽然看不到它,但黑洞张扬的个性把其质量和角动量、电荷都暴露了。
这就是黑洞的史瓦西半径,或者叫事件视界。
所有黑洞无论质量大小,即便是迄今已知1040倍太阳质量的最大黑洞,即编号为SDSS J073739.96+384413.2的黑洞,中心也只有一个无限小的奇点,但这个奇点所形成的史瓦西半径就与质量成正比了。
史瓦西半径是任何物质都具备的一个质量临界值,就是任何物质一旦被压缩进这个临界值,就会无限坍缩成一个奇点,并在临界值处形成一个球状极端奇异空间,这个空间当然就与质量成正比了。在史瓦西半径临界处被称为事件视界,这里是黑洞能看见部分和看不见部分的交接处。
黑洞质量、角动量、电荷影响就在视界处形成,所有靠近这里的物质会被黑洞巨大引力形成一个吸积盘,发着明亮的可见光和X射线,甚至伽马射线,由此黑洞才被人类所观测。当物质被吸入事件视界以内时,一切就都看不见了。
虽然进入黑洞的物质都看不见了,但通过其对周边时空导致的影响,史瓦西半径的大小,可以计算出这个黑洞的质量,因此可以肯定的是这些物质都还在黑洞里面,并没有消失。有一种理论认为,黑洞奇点处是一个时空转换节点,在那个地方我们世界的时空消失,而在超时空出现。鉴于此,有人认为在奇点处可以实现时空穿越,但这种猜想永远也无法证实。
黑洞吃下的东西会吐出来吗?
理论上,黑洞也不是光吃不吐,已经逝世的著名科学家霍金就创立了一个理论,叫霍金辐射,也叫黑洞蒸发。这个理论认为,黑洞里的物质也并不是一点也不吐出来,它会以辐射或蒸发的方式不断减少自己质量。
但这种释放只是量子级的,只有极少数粒子逃脱而形成黑洞蒸发。这种蒸发的速度是黑洞越小越快,越大越慢,只有原子级别黑洞会瞬时蒸发殆尽,稍大的黑洞所吸收的宇宙背景辐射或星际物质,远远大于蒸发量,因此需要长得令人发指的时间才能够蒸发完。
经过计算,1个太阳质量黑洞蒸发时间需要10^64年,也就是1后面跟着8个亿年,宇宙中最大黑洞蒸发时间需要10^100年。这个时间早就大大超过科学界估算的宇宙寿命了。由此看来,黑洞吃下去的物质会牢牢深藏里面,誓与宇宙共存亡!
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被黑洞捕捉到的恒星,并不是大家想象中的那样被黑洞一口吞掉。由于角速度的存在,恒星会被黑洞巨大的引力撕裂,在这个过程中恒星的一部分物质会逃逸出去,而其它的物质沿着螺旋状的轨道落入黑洞的吸积盘。
这个吸积盘是一种围绕着黑洞旋转的、由弥散物质组成的盘状结构,落入吸积盘的恒星物质会在这里被不断加速,一些质量巨大的黑洞甚至可以将这些物质加速到接近光速。在如此高的速度下,恒星的物质会被撕裂成碎片,在摩擦力和引力的作用下,它们的温度也会升得很高,从而发出极为明亮的光,这个过程被称为“潮汐瓦解事件”。
吸积盘并没有进入黑洞的事件视界,黑洞的引力不足以约束所有的物质,当吸积盘增大到黑洞不能有效控制时,就会有一部分发生破裂,强大的冲击波会将一部分物质喷射出去,就像黑洞打了个饱嗝一样。因此,黑洞通常都不会将恒星的物质全部吞掉,在“潮汐瓦解事件”中,会有一部分恒星物质逃跑了。
从常理来讲,进入黑洞事件视界的物质,就不可能从黑洞表面逃逸出去了,它们会向黑洞的奇点(一个密度无限大、体积无限小、时空曲率无限大的点)靠拢,并最终失去维度从而在宇宙中消失。但如果黑洞真是这样这进不出,那它的质量就会无限增加,其事件视界的范围也会无限扩张,说不定整个宇宙都会被它吞噬掉,显然这是不可能的,因此科学家们提出了不同的见解,下面我们来看一看。
白洞理论
爱因斯坦的广义相对论指出,在宇宙应该存在着一种特殊的天体--白洞,它的特性与黑洞完全相反,是“只出不进"的天体。白洞只向外提供能量和物质,不吸收任何的东西,它是宇宙的喷射源。如果白洞真的存在的话,那么我们有理由相信在黑洞的另一头就是白洞,黑洞在这头吸收物质,白洞在另一头喷射物质,而被黑洞吃掉的恒星最终会通过白洞回到宇宙。
霍金辐射
史蒂芬·霍金教授认为黑洞会以某种特殊的方式向外辐射能量,他指出在宇宙空间中,会不停的产生成对的正反虚粒子,然后又在瞬间湮灭。当这样的情形发生在黑洞边界时,有可能会出现这种情况:成对的虚粒子中的一个被黑洞捕获,另一个却逃逸了,在这个时候,这个逃逸的虚粒子就带走了黑洞的能量,这就是著名的“霍金辐射”。因此我们可以认为,被黑洞吃掉的恒星物质,最终会通过“霍金辐射”的方式被释放出来。
M理论
而M理论则认为,我们的宇宙只是“一层宇宙膜”,它是来自高维宇宙的投影,在我们所处的宇宙膜之外,还有很多其他的宇宙膜。而黑洞具有强大的时空扭曲能力,能够在这些宇宙膜之间形成一个通道。如果真是这样,那么被黑洞吃掉的恒星,有可能就进入了另一个宇宙。
另外再说一个广义相对论描述的很有意思的场景,如果我们呆在黑洞外面,目送一个物体进入黑洞,这时我们就会看到这个物体在靠近黑洞的过程中会越来越慢,并最终定格在黑洞的事件视界。也就是说,从我们的视角来看,这个物体永远没有进入黑洞!