宇宙黑洞的形成(宇宙黑洞的形成原因)

為什么一些恒星終將演化成黑洞？

這是恒星的引力與內壓力所決定的。兩種力相互對立，恒星的引力作用于恒星表面物質，使物質有內陷的趨勢。同時，恒星的內壓力在恒星表面產生向外的力，使物質有向外擴張的趨勢。當這兩種力達到平衡（即強度相等）時，恒星體積保持現有尺寸：既不會坍塌也不會膨脹。太陽與地球也是如此。

圖解: 低質量恒星（左循環）和高質量恒星（右循環）演化的循環，對應的例子以斜體字呈現。

然而，當一顆恒星耗盡核燃料，在持續地經由恒星表面喪失能量（通過光能的形式）的同時，無法通過核聚變（由于沒有更多的核燃料）填補損失的能量，引力將超過內壓力，引起恒星會緩慢收縮或迅速坍塌。引力之所以會超過恒星的內壓力，是因為內壓力由熱氣體所產生的，當恒星從地表向外輻射能量時，會帶走氣體的能量。

圖解：藝術家觀念下在高密度分子云誕生的恒星。

因此，恒星能否演化成黑洞。這取決于其他來源的壓力（除了由正常熱氣體產生的壓力外）能否大到足以平衡內向的引力，使得恒星的坍縮止于某個小體積處。在熱氣體產生的壓力之外，還有其他形式的壓力。將手按在桌面上，可以讓您體驗到其他形式的壓力之一——感受到桌子的擠推，實際上它可以支撐你的體重（引力）！這種壓力使得桌子支撐起你的體重，來自桌子內原子間的力。

圖解：質子-質子鏈的回顧，做為恒星核合成的一部分，依據恒星的質量和內部結構，在核心內會發生各種不同的核聚變反應。原子在融合后的凈質量會略小于融合前的原子質量總和，這些失去的質量，依照質能等價的關系：E = mc^2.，被轉換成能量。

此外，原子內的電子會互斥（比如說，電子不會全部在同一個原子“軌道”上運動——這稱作“不相容原理”）。因此，假定我們有這么一個互斥的自由移動的電子集合:對這個集合壓縮的越緊（它們受限的體積越小），它們對壓迫的反抗越強烈——這種壓力反作用于你對電子的束縛。

當恒星經引力坍縮到如地球這般大時，“電子回避”壓力才足以平衡太陽質量大小的恒星所產生的引力。因此當如太陽一般大的恒星坍縮到地球大小的尺寸時，可以避免其演化成黑洞，并且內部的“電子回避”壓力（稱為“電子簡并壓力”）的強度足以撐起恒星。這種壓力不依賴于于恒星所含的能量——即使恒星持續地經表面喪失能量，該壓力也能支撐著恒星。這就是為什么我們的太陽永遠不會成為一個黑洞的原因。

圖解: 電子簡并壓強是由泡利不相容原理產生的力，說明兩個費米子不能同時占有相同的量子態，這種力量也是物質可以被壓縮的極限。在恒星物理中，這是一個很重要的物理量，因為它造就白矮星的存在。

然而，質量為太陽3至5倍的恒星，引力更強，電子簡并壓力不足以阻止其坍縮。事實證明，中子也遵循不相容原理，同樣不能阻止大質量恒星坍縮——根據現有推測，任何超過3至5倍太陽質量的物體都無法停止坍縮，都將演化成黑洞。

在非常遙遠的未來，黑洞可能會泄漏并散開。這事會發生嗎？如果會，又如何發生？

或許你知道，任何落入黑洞的物體都無法逃脫。然而，很長一段時間后，物質的粒子會從黑洞中“泄漏”出來。因此，即使宇宙中的所有物體最終都被吸入黑洞中，經過漫長時間之后，這些洞會逐漸逸失自身的物質，物質會彌散在宇宙中散（作為一種粒子氣體）。

圖解：位于M87中心的超大質量黑洞，推估質量達太陽的數十億倍。這是人類史上第一張直接對黑洞觀測的天文影像，由事件視界望遠鏡所拍攝，發表于2019年4月10日。

黑洞失去質量的過程稱作“霍金輻射”，霍金是第一個計算出這過程如何發生的。要描述它發生的過程極為復雜。解釋方法之一是使用“虛擬粒子”的概念。在任何時候，隨處都有粒子-反粒子產生和湮滅，甚至在黑洞的事件視界（“表面”）附近也不例外。這些粒子對存在時間極短，短到我們無法準確地測量它們的質量，甚至無法知道它們的存在（由粒子對引起的其他現象可知曉它們的存在）。但是，對于黑洞周圍的粒子對來說，其中一個粒子可能會被吸入黑洞，留下另一個孤單的粒子。通常情況下，此時留下的這個粒子就不會因已經消失的粒子而迅速湮滅。

圖解：大麥哲倫云面前的黑洞（中心）的模擬視圖。請注意引力透鏡效應，從而產生兩個放大，以星云最高處扭曲的視野。銀河系星盤出現在頂部，扭曲成一個弧形。

所以，留下的這個孤單粒子不再是“虛擬的”，而是“真實的”粒子，正如我們體內任何一個粒子一樣。由于這個粒子現在是真實的，它便包含一定的質量，這質量是由黑洞的能量（通過黑洞引力）提供的：真實粒子能存在是因為從黑洞中獲取了質量。由此，以黑洞外形成新粒子的形式，黑洞損失了質量。黑洞失去質量的過程非常緩慢（至少對于恒星演化成的大質量黑洞來說是這樣），所以典型黑洞最終消失所需的時間非常長。（對于質量相當于太陽質量的黑洞來說，整個過程將持續〖10〗^66年）。

相關天文知識

恒星演化是恒星隨著時間的推移而變化的過程。根據恒星的質量，它的壽命可以從質量最大恒星的幾百萬年到質量最小恒星的萬億年，這是比宇宙年齡還要長許多的時間。這張表格顯示恒星壽命與其質量的關聯性。 所有的恒星都誕生于氣體和塵埃云，也就是通常所說的星云或分子云。在數百萬年的時間里，這些原恒星達到穩定的狀態，成為所謂的主序帶中的恒星。

圖解：藝術家描述的類太陽恒星的生命周期。從左下角的主序星開始，然后膨脹經過次巨星和巨星的階段，直到在右上角將外層拋離，形成行星狀星云。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. phys-孟冬

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