黑洞是怎樣形成的黑洞演化過程
黑洞是怎樣形成的黑洞演化過程
黑洞是時空曲率大到光都無法從其視界逃脫的天體，導致黑洞形成需要哪些因素呢?以下是由學習啦小編整理關于黑洞是怎樣形成的內容，希望大家喜歡!
黑洞的形成
形成過程
跟白矮星和中子星一樣，黑洞也是由恒星演化而來的。
當一顆恒星衰老時，它的熱核反應已經(jīng)耗盡了中心的燃料(氫)，由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)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，直到最后形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。
質量小一些的恒星主要演化成白矮星，質量比較大的恒星則有可能形成中子星。而根據(jù)科學家的計算，中子星的總質量不能大于三倍太陽的質量。如果超過了這個值，將再沒有什么力能與自身重力相抗衡了，從而引發(fā)另一次大坍縮。根據(jù)科學家的猜想物質將不可阻擋地向著中心點進軍，直至成為一個體積趨于零、密度趨向無限大的“點”。而當它的半徑一旦收縮到一定程度(史瓦西半徑)，巨大的引力就使得即使光也無法向外射出，從而切斷了恒星與外界的一切聯(lián)系——“黑洞”誕生了。
形成理論
任何兩個物體之間都存在這種吸引作用。物體之間的這種吸引作用普遍存在于宇宙萬物之間，稱為萬有引力。宇宙星體所產(chǎn)生的引力場(和星體的質量及密度有關)越大，從其表面逃逸所需的極限速度就越大。如果這個引力場大到某個極限，使以光速運動的物體也不能掙脫它的束縛而逃逸，那么人們將無法觀察到這個星體，僅能感受到它的引力效應。巨大黑洞質量可能是太陽的幾十萬、幾百萬或幾千萬倍 。由于他質量無窮大，使得其他物體能脫離他的速度也需要很大。這個逃逸速度如果超過了光速，光也會被吸納。所以，光逃離不了。人們也就看不到黑洞。
黑洞的概述
黑洞是一個空間——時間區(qū)域，它的最外圍是光所能從黑洞向外到達的最遠距離，這個邊界稱為“事件視界”。它如同一個單向的膜，只允許物質穿過視界并落到黑洞里去，但沒有任何物質能夠從里面出來。
“黑洞”很容易讓人望文生義地想象成一個“大黑窟窿”，其實不然。所謂“黑洞”，就是這樣一種天體：它的引力場是如此之強，就連光也不能逃脫出來。說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質一旦掉進去，“似乎”就再不能逃出。實際上黑洞真正是“隱形”的。
黑洞的演化過程
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(qū)，這個天區(qū)范圍之內不可見。依據(jù)阿爾伯特-愛因斯坦的相對論，當一顆垂死恒星崩潰，它將聚集成一點，這里將成為黑洞，吞噬鄰近宇宙區(qū)域的所有光線和任何物質。
黑洞的產(chǎn)生過程類似于中子星的產(chǎn)生過程;某一個恒星在準備滅亡，核心在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發(fā)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，由于恒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。由于高質量而產(chǎn)生的力量，使得任何靠近它的物體都會被它吸進去。黑洞開始吞噬恒星的外殼，但黑洞并不能吞噬如此多的物質，黑洞會釋放一部分物質，射出兩道純能量——γ射線。
也可以簡單理解：通常恒星的最初只含氫元素，恒星內部的氫原子時刻相互碰撞，發(fā)生聚變。由于恒星質量很大，聚變產(chǎn)生的能量與恒星萬有引力抗衡，以維持恒星結構的穩(wěn)定。由于聚變，氫原子內部結構最終發(fā)生改變，破裂并組成新的元素——氦元素，接著，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，該恒星便會坍塌。這是由于鐵元素相當穩(wěn)定，參與聚變時不釋放能量，而鐵元素存在于恒星內部，導致恒星內部不具有足夠的能量與質量巨大的恒星的萬有引力抗衡，從而引發(fā)恒星坍塌，最終形成黑洞。說它“黑”，是因為它的密度無窮大，從而產(chǎn)生的引力使得它周圍的光都無法逃逸。跟中子星一樣，黑洞也是由質量大于太陽質量好幾倍以上的恒星演化而來的。
當一顆恒星衰老時，它的熱核反應已經(jīng)耗盡了中心的燃料(氫)，由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)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著中心點進軍，直到最后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(一定小于史瓦西半徑)，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。
吸積
黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產(chǎn)生輻射而被發(fā)現(xiàn)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性。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(chǎn)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(jù)。數(shù)值模擬也顯示吸積黑洞經(jīng)常出現(xiàn)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(tǒng)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，恒星依然是由氣體云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)也是在新形成的恒星周圍通過氣體和巖石的聚集而形成的。當中央天體是一個黑洞時，吸積就會展現(xiàn)出它最為壯觀的一面。黑洞除了吸積物質之外，還通過霍金蒸發(fā)過程向外輻射粒子。
蒸發(fā)
由于黑洞的密度極大，根據(jù)公式我們可以知道密度=質量/體積，為了讓黑洞密度無限大，那就說明黑洞的體積要無限小，然后質量要無限大，這樣才能成為黑洞。黑洞是由一些恒星“滅亡”后所形成的死星，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，有一種名為“隧道效應”的現(xiàn)象，即一個粒子的場強分布雖然盡可能讓能量低的地方較強，但即使在能量相當高的地方，場強仍會有分布，對于黑洞的邊界來說，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(fā)也微弱;小黑洞的溫度高蒸發(fā)也強烈，類似劇烈的爆發(fā)。相當于一個太陽質量的黑洞，大約要1后面66個0年才能蒸發(fā)殆盡;相當于一顆小行星質量的黑洞會在1小數(shù)點后面21個0加1012秒內蒸發(fā)得干干凈凈。
毀滅
黑洞會發(fā)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(fā)現(xiàn)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(chuàng)生，被創(chuàng)生的粒子就是正粒子與反粒子，而如果這一創(chuàng)生過程發(fā)生在黑洞附近的話就會有兩種情況發(fā)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(chuàng)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(chuàng)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里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(fā)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(shù)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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