一口气搞懂黑洞是咋来的?

黑洞的形成

黑洞其实和中子星,白矮星一样都是恒星演化的产物,唯一不同的是它们是不同质量恒星演化的产物,其中黑洞是超大质量恒星演化的产物。

具体来说是这样的,我们都知道恒星本身是会燃烧的,就好像炉子一样,只不过炉子烧的是煤或者木炭,而恒星烧的是原子核。

刚步入主序星时期的恒星,都是烧氢原子核的,这种燃烧的方式叫做核聚变。这是因为恒星的质量都特别大,引力会使得恒星中心的温度特别大(可以理解成挤压出来的结果),就拿太阳来说,核心的温度可以达到1500万度,而质量越大,引力也就越大,核心的温度就可以达到更大的温度,这我们下文会提到。

由于恒星内核温度特别高,使得恒星是成等离子体的,意思是,电子和原子核是在当中呈现游离态的,而不是构成原子的状态,就像一锅粒子粥一样。

所以,这当中的反应并不是原子和原子之间进行反应,而是原子核和原子核之间进行核反应。而宇宙中70%都是氢原子,剩余的是氦原子(这是由于大爆炸导致的,其中氢和氦是原子序数第一和第二的两个元素),只有不到1%是其他的元素。

而氢的核反应条件要远比氦要求低,因此氢原子核作为燃料的核聚变会最先被点燃,而核反应的炉渣其实就是氦,整个过程就是四个氢原子核通过核聚变产生氦-4。

内核的氢烧完之后,如果是红矮星,那反应就停止了,因为红矮星通过自身引力收缩迫使内核温度达到氦核反应的条件。而质量大一点的恒星,比如:太阳,就可以通过收缩内核,使得条件达到氦核聚变的条件,然后原来的炉渣变成了燃料开始核聚变,氦核反应会生成碳原子核和氧原子核,这就好像换了档一样。

当氦烧完之后,就会剩下一堆炉渣:碳原子核、氧原子核。而又会有一批的恒星停留在这个阶段,而质量更大恒星还能够继续收缩内核,迫使碳发生核聚变反应。不过,超大质量的恒星就不只是这样的了,它们不仅能迫使碳反应,还能迫使碳之后的硅反应,一路一直核反应,直到铁原子核的出现。

之前的恒星的核反应主要在核心进行,而此时的超大质量恒星却是一个奇葩,由于内核温度特别高,导致每一层都在发生核聚变,最外层是氢核聚变,最内核是铁原子核。但是铁其实是比结合能最大的元素,意思是说铁很难发生核反应,最大的差别就在于前面的核聚变其实都是在释放能量,而铁原子核的核反应需要吸收能量。

整个过程大概就是光子进入到铁原子核内,直接击碎铁原子核,然后质子和电子相遇后会生成中子和中微子,就会发生II型超新星爆发。

此时会出现两种情况,第一种是恒星的内核在引力的作用下,中子聚合成了一个中子星。

而中子星说白了就是引力和中子简并压力达到了平衡。这是由于泡利不相容原理导致的结果,这理论简单来说就是中子不可以处于两种相同的状态,它们应该按照规矩好好排排坐。

但是还有一种情况就是恒星内核的质量质量超过3倍太阳的质量(这也被称为奥本海默极限),那么它就不会停留在中子星的状态,因为中子的简并压力都无法抵抗引力,继续向下压缩,按照理论应该可能会出现夸克星,也就是夸克的简并压力和引力达到平衡,但事实上,我们并没有观测到夸克星的存在。因此,我们可以认为,此刻内核就会变成一个黑洞。

所以,到底能不能形成黑洞,首先恒星的质量至少要达到8倍以上的太阳质量,是一个特大质量的恒星。并且在演化过程当中,发生II型超新星爆炸后,内核的质量要超过奥本海默极限,那么内核就会在引力的作用下形成一个黑洞。

黑洞是什么样子的?

实际上,黑洞最有名应该是它能把光都吸走。按照目前主流的引力理论,也就是广义相对论,引力的本质是时空的弯曲。

就拿太阳来说,由于太阳的质量巨大,它压弯了时空,而地球就沿着时空的测地线(也就是时空的“直线”)运动。(我们从二维的角度来看)

那黑洞也能弯曲时空,只不过它对时空的完全远远超过太阳。这样的弯曲程度,导致光经过附近时,如果沿着测地线运动就会掉入到黑洞当中。

如果要用牛顿理论来理解,其实就黑洞的第二宇宙速度远远大于光速,导致光没有拜托黑洞的引力,只能掉入黑洞。而光速已经是宇宙中物质、信息、能量的极限速度,因此,物质遭遇黑洞时,基本上都会往里掉。