太初黑洞,质量最小的宇宙黑洞

文章作者:hs | 2015-09-02
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宇宙大爆炸时几秒钟内就会迅速形成一个太初黑洞,太初黑洞是宇宙中存在时间最短的黑洞,同时也是质量最小的黑洞,甚至只有一个质子大小,比原子核还要小,甚至用肉眼无法辨别,由于太初黑洞是宇宙早期时的产物,因此也被称为"原生黑洞"。

太初黑洞

黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后,发生引力坍缩产生的。而太初黑洞并不是由恒星坍塌而形成,与其他黑洞不同,太初黑洞是在宇宙刚刚创生时在高压条件下物质紧密结合的产物,而且这种黑洞质量比其它黑洞更加小,有时甚至小到连肉眼都无法辨别。太初黑洞的的尺度甚至比原子核还要小。

据说,太初黑洞只在宇宙大爆炸之后几微秒内存在,因为宇宙还来不及膨胀,而整个宇宙又充满了光,超高温超高压的情况下,是可能造出小黑洞的,不过极小,最多吸收几十个光子就蒸发了。对于那些较小质量的原生黑洞,科学家认为有可能与 暗物质有关,以此来解释暗物质的一些问题。

虽然暗物质被认为是宇宙的主宰,在一定程度上说,其是统治着整个宇宙,我们所能看见的宇宙中的物质仅仅是沧海一粟。但是,探测暗物质并不是通过正常的观测手段,由于暗物质不与电磁力发生相互作用,所以用传统的电磁波天文观测无法发现其存在,只能间接地通过引力效应来推断其存在。研究人员认为:这项新的研究可以帮助科学家更好地了解暗物质到底是什么,我们已经知道其统治着宇宙,却还不知道它到底是什么。太初黑洞在宇宙学中被认为存在于大爆炸发生后密度较高的时期,也就是处于宇宙加速膨胀的早期阶段。我们目前知道,今天的宇宙诞生于137亿年之前的一次大爆炸。

由于太初黑洞比目前宇宙恐怖的黑洞要小很多,其体积甚至比原子核还要小,因此不会将整个恒星吞噬掉,自然也不会把光也掩没了。与此相反,由于太初黑洞体积太小,与恒星发生碰撞等接触时,会导致恒星表面上出现明显的振动现象。通过观察恒星表面出现异常运动,我们就可以弄清楚在恒星内部正在发生着什么情况。同理,如果一个太初黑洞穿过一颗恒星中央核结构,我们就可以通过观察其表面的振动来了解恒星内部的相互作用。现在,对于本次研究的科学家而言,可能仅仅只是一个时间的问题。研究人员模拟一个太初黑洞具有多大体积,才可以使得其与恒星发生接触时造成恒星表面出现明显振动波纹。结果发现,当质量达到一个典型的小行星水平时,才可符合这个要求。

形成

太初黑洞是当一颗质量相当大的星体之核能耗尽后,残骸质量比太阳质量高3倍的恒星核心会演化成黑洞,若中子星有伴星,而中子星吸收足够伴星的物质,也能演化成黑洞。在黑洞内,没有任何向外力能维持与重力平衡,因此,核心会一直塌缩下去,形成黑洞。 

当物质掉进了事界,纵使以光速计算,也不能再走出来。 爱因斯坦以几何角度把黑洞解释为空间扭曲的洞,物质随空间而行,如果空间本身就是洞,是没有物质可逃出的。

为了要形成黑洞,质量越小、物质压缩后的密度就越高 高密度时产生强大的压力与收缩相抗衡 然而比太阳质量还小的黑洞在现代宇宙中是不可能形成的 但是在宇宙开始膨胀时有很高的密度 查儿多维奇和伊戈尔.诺维科夫在1967年,霍金在1971年都曾设想在宇宙膨胀的早期阶段可以产生黑洞他们可以有小质量这样的黑洞就称为太初黑洞。尺度比原子核小的黑洞称为太初黑洞。

太初黑洞有多大

你可以想象一颗具有十倍太阳质量的恒星。在它的大约十亿年寿命的大部分时间里,该恒星在其中心把氢转化成氦而产生热。释放出的能量会产生足够的压力,以支持该恒星去抵抗自身的引力,这就产生了半径约为太阳半径五倍的物体。从这种恒星表面的逃逸速度大约是每秒一千公里。也就是说,一个以小于每秒一千公里的速度从该恒星表面点火垂直上升的物体,会被恒星的引力场拖曳回到表面上来,而具有更大速度的物体会逃逸到无穷远去。

当恒星耗尽其核能,那就没有东西可维持其向外的压力,恒星就由于自身的引力开始坍缩。随着恒星收缩,表面上的引力场就变得越来越强大,而逃逸速度就会增加。当它的半径缩小到三十公里,其逃逸速度就增加到每秒三十万公里,也就是光的速度。从此以后,任何从该恒星发出的光都不能逃逸到无穷远,而只能被引力场拖曳回来。根据狭义相对论,没有东西可能比光旅行得更迅速。

其结果就是一颗黑洞:这是时空的一个区域,从这个区域不可能逃逸到无穷远。黑洞的边界被称作事件视界。它对应于从恒星发出的刚好不能逃逸到无穷远的,而只能停留在施瓦兹席尔德半径处徘徊的光线的波前。施瓦兹席尔德半径为R=2GM/c^2,这里G是牛顿引力常数,M是恒星质量,而c是光速。对于具有大约十倍太阳质量的恒星,其施瓦兹席尔德半径大约为二十公里。

现在有了相当好的观测证据暗示,在诸如称为天鹅X-1的双星系统中存在大约这个尺度的黑洞。也许还有相当数目的比这小得多的黑洞散落在宇宙之中。它们不是由恒星坍缩形成的,而是在炽热的高密度的介质的被高度压缩区域的坍缩中产生的。人们相信在宇宙启始的大爆炸之后不久存在这样的介质。这种“太初”黑洞对我将在这里描述的量子效应具有最大的兴趣。一颗重十亿吨的黑洞具有10-13厘米的半径,只有一颗中子或质子的尺度。它也许正绕着太阳或者绕着银河系中心公转。

“太初黑洞”是指在宇宙前期极高的温度和压力下所产生的黑洞。因为其特殊的形成原因,其质量很小,根据霍金的黑洞辐射定律,质量越小,辐射的能量越高。

太初黑洞是宇宙大爆炸时几秒内形成的黑洞,其大小只相当于一个质子,在所有的黑洞理论中,霍金辐射率与质量成反比。因为这个放射过程逐渐地降低黑洞的质量。很小质量的黑洞在其过程中,会出现一种类似于高压放气一样,大量辐射爆发的最后阶段。这个相当于一个氢弹产生数百万吨的爆发力。在当前的宇宙年龄下,即使一个普通黑洞也不会失去所有的质量。然而,由于原生黑洞并非由恒星核心崩溃形成,他们可以是任意大小。并且太初黑洞的生命周期很短,因为其本身能够放出大量的霍金辐射。一个原子大小的太初黑洞质量大约为10^4KG,温度为6000度。当他进一步蒸发时体积会减小。根据霍金的描述黑洞最后会在一个爆炸中消失殆尽。

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