黑洞是種什麼天體?黑洞又是怎麼形成的？

宇宙中存在太多未知的祕密，其中，黑洞的存在總是令人產生無限遐想，黑洞究竟是種什麼天體?黑洞又是怎麼形成的呢?白洞又是什麼?是怎麼來的?感興趣的讀者可以跟着小編 一起來了解一下吧!

黑洞是什麼?

黑洞(Black hole)是現代廣義相對論中，宇宙空間內存在的一種密度無限大，體積無限小的天體，所有的物理定理遇到黑洞都會失效。黑洞是由質量足夠大的恆星在覈聚變反應的燃料耗盡而死亡後，發生引力坍縮產生的。

黑洞的質量極其巨大，而體積卻十分微小，它產生的引力場極爲強勁，以至於任何物質和輻射在進入到黑洞的一個事件視界(臨界點)內，便再無法逃脫，甚至目前已知的傳播速度最快的光(電磁波)也逃逸不出。

白洞是什麼?怎麼來的?

黑洞無法直接觀測，但可以藉由間接方式得知其存在與質量，並且觀測到它對其他事物的影響。藉由物體被吸入之前的因高熱而放出紫外線和X射線的“邊緣訊息”，可以獲取黑洞存在的訊息。推測出黑洞的存在也可藉由間接觀測恆星或星際雲氣團繞行軌跡取得位置以及質量。科學家最新研究理論顯示，當黑洞死亡時可能會變成一個“白洞”，它不像黑洞吞噬鄰近所有物質，而是噴射之前黑洞捕獲的所有物質。

“黑洞”這個名字，總是令人遐想聯翩。那麼，究竟什麼是“黑洞”?

這個名字的第一個字“黑”，表明它不會向外界發射或反射任何光線，也不會發射或反射其他形式的電磁波——無論是波長最長的無線電波還是波長最短的γ射線。因此人們無法看見它，它絕對是“黑”的。第二個字“洞”，說的是任何東西只要一進入它的邊界，就休想再溜出去了，它就像一個真正的“無底洞”。

也許有人會想：假如我用一隻超級巨大的探照燈對準黑洞照過去，黑洞不就現形了嗎?錯了!射向黑洞的光無論有多強，都會被黑洞全部“吞噬”，不會有一點反射。這個“無底洞”，照樣還是那麼“黑”。

把這種奇特的天體稱爲“黑洞”，真是太妙了。黑洞並不是科學家在一夜之間突然想到的。早在1798年，法國科學家拉普拉斯就根據牛頓建立的力學理論推測：“一個直徑像地球、密度爲太陽250倍的發光恆星，在其引力作用下，將不允許它的任何光線到達我們這裏。”

這話是什麼意思?我們不妨先從宇宙飛船說起。宇宙飛船要擺脫地球的引力進入行星際空間，速度至少要達到11.2千米/秒，否則它就永遠逃不出地球引力的控制。這11.2千米/秒的速度，就是任何物體從地球引力場中“逃逸”出去所需的最低速度，稱爲地球的“逃逸速度”。

太陽的引力比地球引力強大得多，因此太陽的逃逸速度也要比地球的大得多，爲618千米/秒。再進一步，要是一個天體的逃逸速度達到了光速，那麼就連光線也不可能從它那裏逃逸出去了。這樣的天體就是黑洞，拉普拉斯所說的那個恆星便是生動的一例。光是宇宙間跑得最快的東西，既然連光都逃不出黑洞，那麼其他一切東西也就休想逃出去了。

隨着科學的發展，人們對黑洞的認識也越來越深入。如今，關於黑洞的更準確的說法是：“黑洞是廣義相對論預言的一種特殊天體。它的基本特徵是有一個封閉的邊界，稱爲黑洞的‘視界’;外界的物質和輻射可以進入視界，視界內的東西卻不能逃逸到外面去。”正因爲黑洞如此“只進不出、貪得無厭”，所以纔有了一個不雅的外號：“太空中最自私的怪物”。

不過，事情也不是那麼簡單。出乎人們意料，黑洞這個“怪物”，有時候竟然還十分“慷慨”。這又是怎麼一回事?在20世紀70年代，英國科學家霍金等人以量子力學爲基礎，對黑洞作了更縝密的考察，結果發現黑洞會像“蒸發”那樣穩定地往外發射粒子。考慮到這種“蒸發”，黑洞就不再是絕對“黑”的了。

霍金還證明，每個黑洞都有一定的溫度，而且質量越小的黑洞溫度就越高，質量越大的黑洞，其溫度反而越低。大黑洞的溫度很低，蒸發也很微弱;小黑洞的溫度很高，蒸發也很猛烈，類似劇烈的爆發。一個質量像太陽那麼大的黑洞，大約需要一個地球年才能蒸發殆盡;但是質量和一顆小行星相當的小黑洞，竟會在一秒鐘內就蒸發得乾乾淨淨!

黑洞是怎麼形成的?黑洞的演化過程是怎樣的?

1.兩個互相吞噬的黑洞

黑洞就是中心的一個密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小的奇點和周圍一部分空空如也的天區，這個天區範圍之內不可見。依據阿爾伯特-愛因斯坦的相對論，當一顆垂死恆星崩潰，它將聚集成一點，這裏將成爲黑洞，吞噬鄰近宇宙區域的所有光線和任何物質。

黑洞的產生過程類似於中子星的產生過程：某一個恆星在準備滅亡，核心在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，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體，同時也壓縮了內部的空間和時間。

但在黑洞情況下，由於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爲粉末，剩下來的是一個密度高到難以想象的物質。由於高質量而產生的引力，使得任何靠近它的物體都會被它吸進去。

也可以簡單理解：通常恆星最初只含氫元素，恆星內部的氫原子核時刻相互碰撞，發生聚變。由於恆星質量很大，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。由於氫原子核的聚變產生新的元素——氦元素，接着，氦原子也參與聚變，改變結構，生成鋰元素。

如此類推，按照元素週期表的順序，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。這是由於鐵元素相當穩定，參與聚變時不釋放能量，而鐵元素存在於恆星內部。

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。說它“黑”，是因爲它的密度無窮大，從而產生的引力使得它周圍的光都無法逃逸。跟中子星一樣，黑洞也是由質量大於太陽質量好幾十甚至幾百倍以上的恆星演化而來的。

當一顆恆星衰老時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料，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，物質將不可阻擋地向着中心點進軍，直到最後形成體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。而當它的半徑一旦收縮到一定程度(一定小於史瓦西半徑)，質量導致的時空扭曲就使得即使光也無法向外射出——“黑洞”就誕生了。

2.黑洞拉伸，撕裂併吞噬恆星

黑洞通常是因爲它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的，這一過程被稱爲吸積。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性。已觀測到了輻射效率較高的薄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爲敏感。對吸積黑洞光度和光譜的分析爲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。

通常天體物理學家會用“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，而且也正是因爲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。當中央天體是一個黑洞時，吸積就會展現出它最爲壯觀的一面。黑洞除了吸積物質之外，還通過霍金蒸發過程向外輻射粒子。

3.蒸發

由於黑洞的密度極大，根據公式我們可以知道密度=質量/體積，爲了讓黑洞密度無限大，那就說明黑洞的體積要無限小，然後質量要無限大，這樣才能成爲黑洞。黑洞是由一些恆星“滅亡”後所形成的死星，它的質量極大，體積極小。但黑洞也有滅亡的那天，按照霍金的理論，在量子物理中，有一種名爲“隧道效應”的現象，即一個粒子的場強分佈雖然儘可能讓能量低的地方較強，但即使在能量相當高的地方，場強仍會有分佈，對於黑洞的邊界來說，這就是一堵能量相當高的勢壘，但是粒子仍有可能出去。

霍金還證明，每個黑洞都有一定的溫度，而且溫度的高低與黑洞的質量成反比例。也就是說，大黑洞溫度低，蒸發也微弱;小黑洞的溫度高蒸發也強烈，類似劇烈的爆發。相當於一個太陽質量的黑洞，大約要1x10^66年才能蒸發殆盡;相當於一顆小行星質量的黑洞會在1x10^-21秒內蒸發得乾乾淨淨。

4.毀滅

黑洞會發出耀眼的光芒，體積會縮小，甚至會爆炸。當英國物理學家史蒂芬·霍金於1974年做此預言時，整個科學界爲之震動。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，由於能量不能憑空創生。

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爲是一個正粒子的爲之相反的運動過程，如一個反粒子被吸入黑洞可視爲一個正粒子從黑洞逃逸。這一情況就是一個攜帶着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，因爲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。