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黑洞——宇宙中最神秘的天体之一,它的质量有上限吗?

黑洞是宇宙中最为神秘的天体之一,留给大众最深的印象恐怕就是它那深不见底的“胃口”了,咱们今天就来聊一聊黑洞的胃口到底有多大,质量会不会有上限。

按照宇宙大爆炸模型,我们的宇宙迄今为止已经存在了138亿年之久(可能时间的长短,对宇宙本身而言没什么意义),而最早的黑洞几乎是和宇宙一块诞生的,那么人类是何时才意识到这种天体的存在呢?

最初的朦胧意识,是在十八世纪末提出的拉普拉斯暗星,依靠牛顿的万有引力定律,设想出一个引力强大到光子都没法逃离的星球,在这个星球上,光子从表面发射,其动能无法消除全部的引力势能,于是光子最终会掉落下来。

当然了,这种观点在今天看来是非常不成熟的,如果抛开这种暗星式的黑洞,那么人类真正意识到黑洞的存在,是在二十世纪初期,由德国物理学家史瓦西依靠爱因斯坦的广义相对论,得到其的第一个精确解,这个解预言了宇宙中似乎可以存在一种物理性质非常奇异的天体,在这个天体附近有一处范围(史瓦西半径),任何物质一旦涉足,就会被无情的“吸入”天体中心,毫无逃脱的可能,即使这个物体是全宇宙速度最快的光。

虽然爱因斯坦当初并不相信宇宙中会有这种可怕天体的存在,但在这件事上爱因斯坦的看法是错的,就和他当初不相信宇宙会膨胀一样,黑洞的存在在今天已经成为了一种可观测到的事实。

最初黑洞留给科学家的印象,就是两个字:“能吃”

因为理论预言了任何物质都会被吸入黑洞中心(也就是所谓的奇点区域),即便这一点在直觉上很难使人相信,但这却是广义相对论很自然的结论。那么这是否告诉我们,黑洞由于这样的特性,它的质量可以无限制的上涨呢?

答案是肯定的。如果黑洞附近的物质补充从不中断,那么黑洞自然就会不断的吃下去。毕竟当你朝着一个黑洞甩过去一个沙发,它会吞进去再吐出来吗?很显然是不可能的,否则就违背黑洞内部的物理机制了。

而这个物理机制是指什么呢?专业术语叫做“单向膜区”。这就是黑洞质量能够无限上涨的关键所在。简单来讲,就是存在于这个区域的物体,它们的运动方向只有一个,就是不断的靠近奇点区域

以史瓦西黑洞为例,由于这种黑洞是无自转不带电的,是黑洞中最为简单的一种,意味着在外界的我们,只能得知这个的黑洞的质量是多少,而其它信息一概不知。依靠广义相对论,我们可以得知,在史瓦西黑洞内部,除了奇点以外,全部都是真空区域,因为所有落入史瓦西黑洞的物质,都会不可抗拒的掉入奇点。

在通常的科普文章,对于黑洞的这种性质,会以时空坐标互换为解释,说原先的时间空间坐标,在黑洞内部进行了互换,这样一来物体在黑洞内部的运动,原本的空间坐标改为时间坐标来描述,而时间只能单向流动指向奇点,因此物体的运动也成了单向,就是不断的往奇点运动。

但个人认为这样的解释还是难了一些,毕竟这里所说的时空间坐标是外部观测者所定的一个坐标系,而在黑洞内部的物体则并不会感到什么时空变换,对于它们而言,只有越来越强的潮汐力袭来,最终在有限时间内掉入奇点。

因此个人倾向于另一种等价的解释,就是用光锥这个概念。

说起光锥,估计不少人都有过耳闻,比如“光锥之内即命运”之类的话,这句话是比较文艺的讲法,原因是因为相对论中有一个前提条件,所有物体的世界线都是类时或类光曲线(类空曲线违背因果律),而这两种曲线就存在于光锥中,一个在表一个在内。

上图就是四维平直时空中的光锥,也就是存在于狭义相对论中的光锥,所有事件的未来发展都包含在光锥的上锥面之中。当然了,涉及黑洞,时空自然不可能继续保持平直,在时空弯曲后,光锥的形状也要发生变化,利用特定的坐标系我们可以画出黑洞附近(包括黑洞内部)的时空图,我们会发现在黑洞内部的光锥,朝向都是统一的面向奇点,这句话的意思就是所有内部物体的命运,都是不断的接近并掉入奇点。

在了解这个概念之后,如果以后有人问你:为什么物体不能从黑洞内部逃脱?你可以回答:因为光锥朝内,物体只能不断靠近奇点。

由此我们也可以知道,如果有物质不慎被黑洞”吸住“,那么等待它的命运只有一条,就是进入奇点。那么这也说明,进入黑洞内部的物体是没有机会再飞出来的,也意味着黑洞的质量可以无上限的增加,永远都处于来者不拒的状态。

然而还有另一种情况,没有物质进入的黑洞会怎么样呢?

如果一个黑洞附近都是空荡荡的,周围没有物质可以供它”吃“(提醒一点,这里的说法仅仅是比喻,并不是说黑洞存在意义就是为了吃,好像说的黑洞有意识一样,只是黑洞的属性使得其周围存在的物质都岌岌可危而已),那么这个黑洞会怎么样呢?

有人说了,既然没有物质吸收,那么黑洞就保持原样呗,毕竟黑洞内部的物质又出不来,难不成还饿瘦了不成?

上面这句话代表了上世纪七十年代前科学界的观点,但后来随着霍金等人对黑洞开始研究,原本死气沉沉的黑洞一下子有了变化,霍金辐射告诉我们:黑洞时刻都有质量丢失,如果存在一个孤立的黑洞,那么它的净质量会随时间减小。

这一结论是霍金在黑洞附近考虑了量子理论所得出的,实际上这里黑洞质量的减少,并不是真的发生了物体从黑洞内部飞走,而是视界附近产生的虚粒子对受黑洞影响,其中带有负能量的粒子进入黑洞,引起黑洞质量的减小,而另一个正能量的粒子则远离黑洞,总体表现就好像黑洞在发射出物质,使得自身质量减小一样。

当然了,虽然霍金辐射已经提出几十年了,但至今科学家们也没有实际观测到这种现象的发生,但基于理论的自信,我们相信这样的现象是存在的,毕竟相对论与量子力学在其所擅长的方面都取得了惊人的成绩。

除此之外,虽然黑洞的质量没有上限,但限于人类科技水平(以及黑洞的特性),人们目前所发现的黑洞数量并不多,科学家们对于不同质量的黑洞,定了一个标准

将质量在3到100倍太阳质量的黑洞称为恒星级黑洞,100到10万倍太阳质量的称为中等质量黑洞,再往上的称为超大质量黑洞。

比如离咱们35亿光年处,位于OJ287类星体中的两颗超大质量黑洞,大的质量为太阳的184亿倍,小的质量是太阳的1.46亿倍。

顺带说一下最近由我国科学家发现的“不符合理论”的恒星级黑洞LB-1

这颗黑洞的质量大约在70倍太阳质量左右,有人疑惑道:不是说恒星级黑洞的质量在3到100倍太阳质量吗,这才70倍,怎么就不符合理论了?

因为这颗黑洞的生长环境比较特殊,我们知道恒星级黑洞,顾名思义是由恒星演化末期形成的,而恒星的金属丰度决定了其最后能成为多大质量的黑洞

这颗LB-1黑洞有一颗B型星在绕其转圈,科学家发现这颗B型星的金属丰度与太阳接近,这就意味着这颗黑洞生前在恒星时期的金属丰度也差不多和太阳类似按照现有的理论来说,这颗黑洞的质量应该不会超过25倍太阳质量。然而现在的事实就是这颗黑洞质量有70倍太阳质量,这意味着我们现有的部分理论将需要重新修改。

总的来说,理论上黑洞的质量是可以无限上升的,取决于到底有多少物质可以去“喂”它。当然了,除了能吃以外,黑洞还将有可能成为相对论与量子力学结合的关键,可以说黑洞内部藏着一处大宝藏。


本篇文章的内容到此结束。

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