宇宙中的巨无霸――黑洞,它究竟是由什么构成的?

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黑洞是目前已知的宇宙中最迷人、最神秘的天体之一。人们认为,黑洞中隐藏着许多关于时间和空间运作规律的秘密,甚至有人主张,有朝一日可以用黑洞来制造穿越星系的虫洞。但是,这样令人难以置信、极具破坏性和标志性的自然力量究竟是如何产生的?这里是Unveiled频道,让我们来回答一些不同寻常的问题:黑洞是由什么构成的?

黑洞是如此奇怪和强大,给人的感觉就像科幻小说中那种几近虚构的概念一样。但黑洞确实存在于宇宙中,并且对我们的现实生活来说至关重要!然而,由于黑洞的神秘特性,科学家们甚至很难探测到它们,研究更无从谈起。所有接近黑洞的光线都会被吸入其中,因此,唯一确认黑洞位置的方法就是观察其与周围物质的相互作用。也就是说,如果一个黑洞周围没有任何东西与它产生相互的影响,我们就完全无法得知它的存在!

事实上,人们认为大多数恒星黑洞都是孤立存在的,也就是说,这些黑洞无法被探测到,因此我们全然无法得知其存在。对于未来的星际太空旅行者来说,这也许是一件可怕的事情:一个未被注意到的黑洞有可能害死他们。况且,宇宙中遍布黑洞,这样的情况未必不会发生……我们没有办法直接计算出黑洞的位置或数量,但我们知道它们是由某些特定类型的恒星形成的,据此估计,仅仅在我们的银河系中就可能存在着一千万到十亿个黑洞。

黑洞由坍塌的恒星形成,但不是任何恒星都能形成黑洞。受恒星质量影响,不同的恒星会经历不同的变化过程,只有质量足够大的恒星才能在生命周期的最后形成黑洞。恒星最初是通过燃烧其核心的燃料来维持活跃的,当燃料耗尽后,由于自身的重力影响,恒星会收缩、爆炸进而毁灭,并最终变成一个恒星黑洞。

最小的是这些令人难以置信的结构,且根据NASA的说法,它们的体积和一个原子一样大,但质量却相当于一座山。但是,正如一些特大质量黑洞的名字,它们有着极大的质量(可能是太阳的数十亿倍)。即使是专家也不能百分之百确定其形成过程。它们可能由数千个较小的黑洞并合而成,也可能只是一个黑洞吞噬了相较它应当吞噬的更多的物质。还有理论认为特大质量黑洞是由暗物质形成的,但无论如何,这些庞大而无序的结构通常都被发现于星系中心。

从理论上讲,黑洞的类型中也应该存在一个“中间地带”,即一个比恒星质量大、但又没有大到能被归类为特大质量的黑洞,但我们还没有最终证明这一观点。因此,目前的科学结果与人们普遍的理解一致,即黑洞只是由恒星形成的,最开始是超新星的产物。但是,我们真的能说黑洞是由恒星构成的吗?

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卡尔・萨格安在谈到人类时曾说过一句名言:“我们是由恒星物质组成的”,意思是构成人类的元素,如碳、氢、氮和氧,都来自于恒星变成超新星并将它们散布到宇宙的过程。因此,在这个层面上,我们是由和黑洞一样的物质组成的,都是恒星自我毁灭的分支,但人类和黑洞的对比也就到此为止。虽我们然知道很多关于人体运转工作的知识,但对黑洞是如何运作的却知之甚少,甚至对其中心发生的事情尚未有充足的把握。

问题是,因为任何足够接近黑洞的物质都会被吞噬并消失,所以实际它的大部分区域并未由任何物质组成。在黑洞可怕而不同寻常的内心深处,是巨大的时空畸变。它们将大量物质以令人难以置信的密度压缩到一个超乎想象的小点上。黑洞颠覆认知的实例如此之多,以至于我们对传统物理学的理解在黑洞中心或奇点附近崩塌了。然而,反过来谈论这个问题,我们又可以说黑洞实际上由任何物质组成。它们由坍缩星形成,坍缩星又是由气体和坍塌的星云形成的。

这些是基本的宇宙学过程,但若将它们回溯得足够远的话,它们――连同宇宙中的其他一切――都是从相同的原料开始的。理论上,如果你有办法把物质压缩得足够深,你就可以把任何东西变成一个黑洞。这根本就不可能,甚至在物理上和实际上都是不可能的。但这个想法来源于卡尔・史瓦西提出的史瓦西半径的概念。它给出了一个方程式,用来计算一个东西必须压缩到多深才能变成黑洞。

最终,如果一个物体的物理半径被压缩到小于它的史瓦西半径,那么它就会做到这一点!所以,极端假设地说,如果我们所有的质量都被压缩得足够深的话,任何东西都可能是黑洞:像建筑物啦、汽车啦、棒球啦、铅笔啦,甚至是人类自己。地球也有可能会变成一个黑洞,但在此之前,它所有的质量都必须被压缩成一个只有8.7毫米的小点。然而在现实中,我们不必担心。除非地球以某种方式变得比现在大得多,否则在自然界中不可能出现由地球引发的黑洞。

甚至我们的太阳的大小也不足以去形成一个黑洞。这并不是说这些生活中看似标准的事实阻碍了人们制造自己的小黑洞――抑或是其变体。例如,在2016年,物理学家杰夫・斯坦豪尔用声波而不是光创造出了模拟黑洞,从而绕过了这个看似不可能的问题。这是一个声音无法逃脱的地方,相对而言这是一个更简单的概念,但仍然令人印象深刻!如果说有什么不同的话,那就是像斯坦豪尔这样的努力表明了真正的黑洞是多么神秘,而我们自己却没有办法一瞥。

我们所知道的是,黑洞最初是由普通物质形成的,但只有当其形成宇宙中最大的恒星时,也只有当这些恒星坍缩时才会形成黑洞。在大多数黑洞爱好者的脑子里都有一个有关暗物质的问题,但那完全是另一个谜了!在我们能够了解那些我们看不见的东西之前,它们是消亡的恒星的迷人产物。这就是黑洞的组成。你认为如何?还有什么遗漏的吗?请在评论中告诉我们。

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