坍縮星

collapsed star

質量在恆星質量範圍(10^32~10^35克)內的黑洞。恆星演化的晚期階段迅速收縮為一個密度很大的天體,當質量等於太陽質量的兩倍以上時形成不能看見的黑洞。

演化到晚期可坍縮成為比中子星密度更高的黑洞的星。

  • 中文名稱
    坍縮星
  • 外文名稱
    collapsed star
  • 本質
    黑洞
  • 形成條件
    質量等於太陽質量的兩倍以上

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黑洞的產生

黑洞的產生過程類似于中子星的產生過程;恆星的核心在自身重量的作用下迅速地收縮,發生強力爆炸。當核心中所有的物質都變成中子時收縮過程立即停止,被壓縮成一個密實的星球。但在黑洞情況下,由于恆星核心的質量大到使收縮過程無休止地進行下去,中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末,剩下來的是一個密度高到難以想象的物質。由于高密度而產生的力量,使得 黑洞

任何靠近它的物體都會被它吸進去。

亦可以簡單理解:通常恆星的最初隻含氫元素,恆星內部的氫原子時刻相互碰撞,發生裂變、聚變。由于恆星質量很大,裂變與聚變產生的能量與恆星萬有引力抗衡,以維持恆星結構的穩定。由于裂變與聚變,氫原子內部結構最終發生改變,破裂並組成新的元素——氦元素。接著,氦原子也參與裂變與聚變,改變結構,生成鋰元素。如此類推,按照元素周期表的順序,會依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成。直至鐵元素生成,該恆星便會坍塌。這是由于鐵元素相當穩定不能參與裂變或聚變,而鐵元素存在于恆星內部,導致恆星內部不具有足夠的能量與質量巨大的恆星的萬有引力抗衡,從而引發恆星坍塌,最終形成黑洞。

跟白矮星和中子星一樣,黑洞可能也是由質量大于太陽質量20倍的恆星演化而來的。

當一顆恆星衰老時,它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料(氫),由中心產生的能量已經不多了。這樣,它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下,核心開始坍縮,直到最後形成體積小、密度大的星體,重新有能力與壓力平衡。

物質將不可阻擋地向著中心點進軍,直至成為一個體積很小、密度趨向很大。而當它的半徑一旦收縮到一定程度(一定小于史瓦西半徑),巨大的引力就使得即使光也無法向外射出,從而切斷了恆星與外界的一切聯系——“黑洞”誕生了。

表現

恆星的引力場改變了光線的路徑,使之和原先沒有恆星情況下的路徑不一樣。光錐是表示光線從其頂端發出後在空間——時間裏傳播的軌道。光錐在恆星表面附近稍微向內偏

折,在日食時觀察遠處恆星發出的光線,可以看到這種偏折現象。當該恆星收縮時,其表面的引力場變得很強,光線向內偏折得更多,從而使得光線從恆星逃逸變得 黑洞圖片(20張)

更為困難。對于在遠處的觀察者而言,光線變得更黯淡更紅。最後,當這恆星收縮到某一臨界半徑時,表面的引力場變得如此之強,使得光錐向內偏折得這麽多,以至于光線再也逃逸不出去 。根據相對論,沒有東西會走得比光還快。這樣,如果光都逃逸不出來,其他東西更不可能逃逸,都會被引力拉回去。也就是說,存在一個事件的集合或空間——時間區域,光或任何東西都不可能從該區域逃逸而到達遠處的觀察者。這樣的區域稱作黑洞,將其邊界稱作事件視界,它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。

與別的天體相比,黑洞十分太特殊。人們無法直接觀察到它,物理學家也隻能對它內部結構提出各種猜想。而使得黑洞把自己隱藏起來的的原因即是彎曲的空間。根據廣義相對論,空間會在引力場作用下彎曲。這時候,光雖然仍然沿任意兩點間的最短距離傳播,但相對而言它已彎曲。在經過大密度的天體時,空間會彎曲。光也就偏離了原來的方向。

在地球上,由于引力場作用很小,空間的彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍,空間的這種變形非常大。這樣,即使是被黑洞擋著的恆星發出的光,雖然有一部分會落入黑洞中消失,可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。觀察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一樣,這就是黑洞的隱身術。

更有趣的是,有些恆星不僅是朝著地球發出的光能直接到達地球,它朝其它方向發射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球。這樣我們不僅能看見這顆恆星的“臉”,還同時看到它的“側面”、甚至“後背”。

演化過程

吸積

黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的,這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會嚴重影響吸積流的幾何與動力學特徵。目前觀測到了輻射效率較高的薄 黑洞拉伸,撕裂並吞噬恆星

盤以及輻射效率較低的厚盤。當吸積氣體接近中央黑洞時,它們產生的輻射對黑洞的自轉以及視界的存在極為敏感。對吸積黑洞光度和光譜的分析為旋轉黑洞和視界的存在提供了強有力的證據。數值模擬也顯示吸積黑洞經常出現相對論噴流也部分是由黑洞的自轉所驅動的。

天體物理學家用“吸積”這個詞來描述物質向中央引力體或者是中央延展物質系統的流動。吸積是天體物理中最普遍的過程之一,而且也正是因為吸積才形成了我們周圍許多常見的結構。在宇宙早期,當氣體朝由暗物質造成的引力勢阱中心流動時形成了星系。即使到了今天,恆星依然是由氣體雲在其自身引力作用下坍縮碎裂,進而通過吸積周圍氣體而形成的。行星(包括地球)也是在新形成的恆星周圍通過氣體和岩石的聚集而形成的。但是當中央天體是一個黑洞時,吸積就會展現出它最為壯觀的一面。然而黑洞並不是什麽都吸收的,它也往外邊散發質子。

蒸發

由于黑洞的密度極大,根據公式我們可以知道密度=質量/體積,為了 黑洞噴射物不斷變亮

讓黑洞密度無限大,那就說明黑洞的體積要無限小,然後質量要無限大,這樣才能成為黑洞。黑洞是由一些恆星“滅亡”後所形成的死星,他的質量很大,體積很小。但黑洞也有滅亡的那天,由于黑洞無限吸引,但是總會有質子逃脫黑洞的束縛,這樣日積月累,黑洞就慢慢的蒸發,到了最後就成為了白矮星,或者就爆炸,它爆炸所產生的沖擊波足以讓地球毀滅10^18萬億次以上。科學家經常用天文望遠鏡觀看黑洞爆炸的畫面。它爆炸所形成的塵埃是形成恆星的必要物質。

毀滅

黑洞會發出耀眼的光芒,體積會縮小,甚至會爆炸。當英國物理學家史迪芬·霍金于1974年做此預言時,整個科學界為之震動。

霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍,他結合了廣義相對論和量子理論。他發現黑洞周圍的引力場釋放出能量,同時消耗黑洞的能量和質量。

假設一對粒子會在任何時刻、任何地點被創生,被創生的粒子就是正粒子與反粒子,而如果這一創生過程發生在黑洞附近的話就會有兩種情況發生:兩粒子湮滅、一個粒子被吸入黑洞。“一個粒子被吸入黑洞”這一情況:在黑洞附近創生的一對粒子其中一個反粒子會被吸入黑洞,而正粒子會逃逸,由于能量不能憑空創生,我們設反粒子攜帶負能量,正粒子攜帶正能量,而反粒子的所有運動過程可以視為是一個正粒子的為之相反的運動過程,如一個反粒子被吸入黑洞可視為一個正粒子從黑洞逃逸。這一情況就是一個攜帶著從黑洞裏來的正能量的粒子逃逸了,即黑洞的總能量少了,而愛因斯坦的公式E=mc^2表明,能量的損失會導致質量的損失。

當黑洞的質量越來越小時,它的溫度會越來越高。這樣,當黑洞損失質量時,它的溫度和發射率增加,因而它的質量損失得更快。這種“霍金輻射”對大多數黑洞來說可以忽略不計,因為大黑洞輻射的比較慢,而小黑洞則以極高的速度輻射能量,直到黑洞的爆炸。

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