宇宙中的黑洞是怎樣形成的?

特殊的黑洞 與別的天體相比，黑洞是顯得太特殊了。例如，黑洞有“隱身術(shù)”，人們無(wú)法直接觀察到它，連科學(xué)家都只能對(duì)它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想。那么，黑洞是怎么把自己隱藏起來(lái)的呢？答案就是——彎曲的空間。我們都知道，光是沿直線傳播的。這是一個(gè)最基本的常識(shí)。可是根據(jù)廣義相對(duì)論，空間會(huì)在引力場(chǎng)作用下彎曲。這時(shí)候，光雖然仍然沿任意兩點(diǎn)間的最短距離傳播，但走的已經(jīng)不是直線，而是曲線。形象地講，好像光本來(lái)是要走直線的，只不過(guò)強(qiáng)大的引力把它拉得偏離了原來(lái)的方向。 在地球上，由于引力場(chǎng)作用很小，這種彎曲是微乎其微的。而在黑洞周?chē)?，空間的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部分會(huì)落入黑洞中消失，可另一部分光線會(huì)通過(guò)彎曲的空間中繞過(guò)黑洞而到達(dá)地球。所以，我們可以毫不費(fèi)力地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(shù)。 更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達(dá)地球，它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強(qiáng)引力折射而能到達(dá)地球。這樣我們不僅能看見(jiàn)這顆恒星的“臉”，還同時(shí)看到它的側(cè)面、甚至后背！ “黑洞”無(wú)疑是本世紀(jì)最具有挑戰(zhàn)性、也最讓人激動(dòng)的天文學(xué)說(shuō)之一。許多科學(xué)家正在為揭開(kāi)它的神秘面紗而辛勤工作著，新的理論也不斷地提出。不過(guò)，這些當(dāng)代天體物理學(xué)的最新成果不是在這里三言兩語(yǔ)能說(shuō)清楚的。有興趣的朋友可以去參考專(zhuān)門(mén)的論著。 按組成來(lái)劃分，黑洞可以分為兩大類(lèi)。一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。暗能量黑洞主要由高速旋轉(zhuǎn)的巨大的暗能量組成，它內(nèi)部沒(méi)有巨大的質(zhì)量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)部產(chǎn)生巨大的負(fù)壓以吞噬物體，從而形成黑洞，詳情請(qǐng)看宇“宙黑洞論”。暗能量黑洞是星系形成的基礎(chǔ)，也是星團(tuán)、星系團(tuán)形成的基礎(chǔ)。物理黑洞由一顆或多顆天體坍縮形成，具有巨大的質(zhì)量。當(dāng)一個(gè)物理黑洞的質(zhì)量等于或大于一個(gè)星系的質(zhì)量時(shí)，我們稱之為奇點(diǎn)黑洞。暗能量黑洞的體積很大，可以有太陽(yáng)系那般大。但物理黑洞的體積卻非常小，它可以縮小到一個(gè)奇點(diǎn)。 黑洞吸積 黑洞通常是因?yàn)樗鼈兙蹟n周?chē)臍怏w產(chǎn)生輻射而被發(fā)現(xiàn)的，這一過(guò)程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會(huì)嚴(yán)重影響吸積流的幾何與動(dòng)力學(xué)特性。目前觀測(cè)到了輻射效率較高的薄盤(pán)以及輻射效率較低的厚盤(pán)。當(dāng)吸積氣體接近中央黑洞時(shí)，它們產(chǎn)生的輻射對(duì)黑洞的自轉(zhuǎn)以及視界的存在極為敏感。對(duì)吸積黑洞光度和光譜的分析為旋轉(zhuǎn)黑洞和視界的存在提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。數(shù)值模擬也顯示吸積黑洞經(jīng)常出現(xiàn)相對(duì)論噴流也部分是由黑洞的自轉(zhuǎn)所驅(qū)動(dòng)的。 天體物理學(xué)家用“吸積”這個(gè)詞來(lái)描述物質(zhì)向中央引力體或者是中央延展物質(zhì)系統(tǒng)的流動(dòng)。吸積是天體物理中最普遍的過(guò)程之一，而且也正是因?yàn)槲e才形成了我們周?chē)S多常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。在宇宙早期，當(dāng)氣體朝由暗物質(zhì)造成的引力勢(shì)阱中心流動(dòng)時(shí)形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由氣體云在其自身引力作用下坍縮碎裂，進(jìn)而通過(guò)吸積周?chē)鷼怏w而形成的。行星——包括地球——也是在新形成的恒星周?chē)ㄟ^(guò)氣體和巖石的聚集而形成的。但是當(dāng)中央天體是一個(gè)黑洞時(shí)，吸積就會(huì)展現(xiàn)出它最為壯觀的一面。 然而黑洞并不是什么都吸收的,它也往外邊散發(fā)質(zhì)子. 爆炸的黑洞 黑洞會(huì)發(fā)出耀眼的光芒，體積會(huì)縮小，甚至?xí)?。?dāng)英國(guó)物理學(xué)家史迪芬·霍金于1974年做此語(yǔ)言時(shí)，整個(gè)科學(xué)界為之震動(dòng)。黑洞曾被認(rèn)為是宇宙最終的沉淀所：沒(méi)有什么可以逃出黑洞，它們吞噬了氣體和星體，質(zhì)量增大，因而洞的體積只會(huì)增大，霍金的理論是受靈感支配的思維的飛躍，他結(jié)合了廣義相對(duì)論和量子理論。他發(fā)現(xiàn)黑洞周?chē)囊?chǎng)釋放出能量，同時(shí)消耗黑洞的能量和質(zhì)量，這種“霍金輻射”對(duì)大多數(shù)黑洞來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，而小黑洞則以極高的速度輻射能量，直到黑洞的爆炸。 奇妙的萎縮的黑洞 當(dāng)一個(gè)粒子從黑洞逃逸而沒(méi)有償還它借來(lái)的能量，黑洞就會(huì)從它的引力場(chǎng)中喪失同樣數(shù)量的能量，而愛(ài)因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的損失會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量的損失。因此，黑洞將變輕變小。 沸騰直至毀滅 所有的黑洞都會(huì)蒸發(fā)，只不過(guò)大的黑洞沸騰得較慢，它們的輻射非常微弱，因此另人難以覺(jué)察。但是隨著黑洞逐漸變小，這個(gè)過(guò)程會(huì)加速，以至最終失控。黑洞委瑣時(shí)，引力并也會(huì)變陡，產(chǎn)生更多的逃逸粒子，從黑洞中掠奪的能量和質(zhì)量也就越多。黑洞委瑣的越來(lái)越快，促使蒸發(fā)的速度變得越來(lái)越快，周?chē)墓猸h(huán)變得更亮、更熱，當(dāng)溫度達(dá)到10^15℃時(shí)，黑洞就會(huì)在爆炸中毀滅。