史瓦西半径 e科普 探索黑洞的秘密( 三 )


但并不是所有的明星都是这样死去的。
白矮星的质量有其上限,就是所谓的钱德拉塞卡极限。质量远远大于太阳的恒星在热核反应终止之后将留下一个超出钱德拉塞卡极限的内核,于是进一步的引力坍缩不可避免,内核最终演变成中子星——电子被挤压入原子核内部,和质子糅合在一起变成了中子。
而恒星的外层则迅速落到内核表面,然后反弹回来。由此产生的强烈冲击波撕碎了整个外壳,这被称为超新星爆炸。


公元1054年北宋时期观测到的超新星爆发
它的遗迹形成了蟹状星云
超新星爆发将一颗恒星约90%的质量抛入星际空间空,这些物质中的一部分会重新组合成恒星,而另一部分则会变成行星,我们地球上的物质就是从行星上来的。
爆发的硝烟散尽之后,原来恒星的位置留下了一颗中子星,整颗星几乎就是一个巨型原子核,它的密度高达原先的 1014倍,这就是 科幻小说《三体》里所说的强相互作用力材料,由它建造的三体飞船“水滴”轻易摧毁了人类引以为傲的舰队。
中子星的质量也有一个上限,叫做奥本海默-沃尔科夫极限。
当中子星超出了这一极限时,无法阻止的引力坍缩开始了,所有的物质朝着中心急速坠落。
这一次,没有任何力量可以抵抗重力,所有的物质结构都被破坏,最后宇宙中最神秘的天体——黑洞形成了。
史瓦西黑洞
这颗恒星演化成黑洞后,几乎所有过去的痕迹都被抹去了,只留下三个整体属性——质量、电荷和角动量。
黑洞的一切都由这三个量刻画,从这个意义上说,黑洞是宇宙中最简单的天体,简单的就像一个基本粒子——一个电子也是由这三个量刻画。
所谓的史瓦西黑洞是一个既不带电也不旋转的黑洞,所以知道它的质量就能说明一切。这个黑洞的名字来自德国物理学家史瓦西,他给出了广义相对论的第一个严格解,由此可以推测黑洞的存在。
史瓦西解表明,如果把任何物体压缩到它的史瓦西半径以内,那么这个物体就会变成黑洞。也就是说,像你我这样的人类也可以变成黑洞——只要我们被压缩到各自的史瓦西半径以内。这个半径和物体的质量由下式联系:
这个公式正是米歇尔·拉普拉斯给出的暗星半径公式。Rs距离太阳约3公里。对于一个体重70公斤的人来说,Rs大约是...呃...10-25米,反正我也不想被压成这样。
但是黑洞并非是一个充斥史瓦西半径以内的球体,事实上它的所有质量全部集中在中心——也就是所谓的奇点。
Rs处的球体是一个“事件视界”。顾名思义,球体内部发出的任何信号都无法到达球体外部,因此内部事件无法为外界所知;如果在球面上发射一束光,那束光最多只能绕着视觉界面转一圈。
另一方面,视界外的物质可以毫无阻碍的落入内部,因此视界是一个由黑洞引力造成的单向膜,尽管它所在的位置其实空空如也。
宇宙诞生后,无数的恒星已经死亡,所以宇宙中一定存在大量的黑洞。
事实上有确凿的证据表明几乎每个星系的核心都有一个超大质量黑洞,它的引力维系着整个星系。 银河系中心的黑洞大约有太阳质量的400万倍,而M87星系的核心——也就是今年拍摄到的那个——则是一个质量达太阳70亿倍的超超级黑洞。
这些黑洞在漫长的岁月里吞噬了无数的物质,膨胀到现在。虽然它们不发光,但它们驱动着宇宙中最亮的光源——类星体,它们的亮度甚至可以远远超过整个星系。

类星体:物质落入黑洞时被加速到非常高的速度,通过相互摩擦达到非常高的温度,从而辐射出巨大的电磁波。

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