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2017年9月14日星期四

黑洞將瘋狂增長至極限值然後逐漸輻射衰減

北京時間8月24日消息,據國外媒體報道,黑洞生長速度比蒸發速度更快嗎?黑洞是已知宇宙中最大質量的單個天體,其質量是太陽質量的數百萬倍,甚至數十億倍,它們形成於超質量恒星及其殘骸物質崩潰過程。任何跨越黑洞事件視界的物質將注定到達中央奇點,逐漸增大黑洞質量。

但由於結合廣義相對論,該理論告訴我們太空會被質量彎曲,同時,量子場理論告訴我們真空的自然運行屬性,我們知道黑洞不會永遠地保持穩定,而是逐漸衰變。

為什麼黑洞生長速度不會超過其輻射蒸發速度?如果粒子對在太空任何區域噴發,其中包括黑洞內部的事件視界,同時,並不是所有粒子不久會湮滅消失,為什麼黑洞不會因為未湮滅幸存粒子而緩慢膨脹呢?這裏存在一個人們理解誤區,的確,真空是一個非常有趣的區域,在許多方麵,它一點兒也不空。當然你可以想象所有物質、所有輻射、所有能量,甚至所有完全脫離太空區域的彎曲事件,直至它們都完全脫離空間,接近於宇宙的"一無所有"狀態。然而,即使是這樣,真空的零點能量也不是完全是零狀態,即使你移除任何事物,我們仍認為粒子-反粒子對可以"時進時出"。

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黑洞並非太空中隔離天體,而是存在於宇宙、星係和恒星係統的物質和能量之間,它們會加速生長,當黑洞質量達到一個極限值,之後依據"霍金輻射"理論,會快速毀滅物質和能量,最終黑洞消失。 

40年多前,英國著名物理學家史蒂芬-霍金提出了所謂的"霍金輻射"理論,即黑洞因為輻射而逐漸萎縮變小直至消失。目前,在可視化研究中,將一個黑洞"放置"在空間中,研究人員會發現粒子-反粒子對可能出現的3種存在方式:一是粒子-反粒子對出現在黑洞外部,並在黑洞外部進行再湮滅;二是粒子-反粒子對在黑洞事件視界中存在,然後再湮滅;三是粒子-反粒子對都出現在黑洞外部,但是一種落入黑洞,而一種逃逸黑洞。

這種推測的確過於簡單化,但這是最簡單清晰的可視化推測之一,能夠正確地定性量化分析,即使該理論未精確地描述霍金輻射理論起源,或者它的能量頻譜是什麼。在現實中,你所得到的是黑體輻射的頻譜——主要是極低能量的光子,這與黑洞事件視界的大小有關,較小黑洞輻射速度更快。

你必須意識到這些"配對粒子"從物理上並不存在,它們僅是一種計算工具而已。成對粒子進入黑洞內部,不會增加黑洞自身質量,因為其總能量始終不變。畢竟粒子-反粒子對的能量來自於周圍空間,但如果你擁有源自太空外部的能量,並且這種能量是從黑洞釋放的真實輻射,那麼該能量一定源自黑洞,使黑洞逐漸減少質量。這就是霍金輻射理論的真實內容,並能證實為什麼黑洞最終會衰退。

我們可以量化衰退速度和輻射溫度,從而發現黑洞以非常慢的速度損失質量,對於一個擁有太陽質量的黑洞,它當前的霍金輻射溫度為62納米開氏度,那麼這個黑洞將需要10^67年蒸發消失;在銀河係中心輻射溫度為15飛姆托開氏度(千萬億分之一開氏度),那麼銀河係中心黑洞需要10^87年蒸發消失;研究人員推測宇宙最大的黑洞需要10^100年蒸發消失!然而在這一過程中,黑洞也會吸入許多物質。

其它恒星物質,宇宙灰塵、星際物質、氣體雲,甚至宇宙大爆炸殘留的輻射物質和中微子,都會增加黑洞質量。介入暗物質將與黑洞發生碰撞,增加其質量。黑洞等量輻射遠低於黑洞吸收物質很多數量級,但是黑洞吸收物質存在一個限製等級。

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黑洞事件視界是一個球體或者球狀區域,這裏任何物質,甚至光線都無法逃逸。但在黑洞事件視界外部,科學家預測黑洞會噴射輻射物質 

隨著時間的推移,宇宙坍塌物質將進入星際介質,引力分解將驅使物質分離。這可能需要大約10^20年,相當於當代宇宙的100億年時間,該物質吸收速度遠低於霍金輻射速度,但它最終是會發生的。一旦它發生,黑洞就會開始衰退,我們知道宇宙中每個黑洞仍在不斷地生長,但是這一增長將達到一個最大值,之後霍金輻射理論將獲得"最後勝利"。

當黑洞質量增至一個極限值,將開始緩慢地輻射,隨著時間推移,霍金輻射逐漸增強,特別是黑洞的質量開始明顯收縮的時候,一旦形成一個奇點,黑洞質量將快速損耗,直到質量趨於零。然而,當黑洞生命的最後一刻,將釋放大量特殊能量,當黑洞質量降至228噸時,這就是一個準確的生命彌留信號。

總體來講,黑洞將在數十億年時間裏不斷地生長,再生長,之後它們衰減速度將大於生長速度,即使宇宙中最大質量的黑洞也會最終蒸發消失,霍金輻射是宇宙中每個黑洞不可避免的命運預言。(葉傾城)

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