“黑洞”是宇宙中最“强大”的天体,有着极大的引力,所有靠近的物质都无法逃脱它的“捕获”,通通会像“掉”进了一个深不见底的、无比漆黑的大洞一样,不知所踪……
那么,你是否想过,这些“掉”进黑洞中的行星、恒星们,都去了哪里?黑洞吞噬的所有物质最终会以怎样的形式存在于其中?黑洞吞噬的天体越来越多之后,它本身会不会发生爆炸呢?
以及,黑洞是否存在一个“终极”,是否也有生命的尽头?如果有黑洞走到了寿命尽头,整个宇宙会迎来剧变吗?
黑洞其实不是“洞”黑洞的名字给了我们一种印象:它就像我们在路上走着时,地上突然出现了一个大坑,它漆黑深邃,如果有人不小心掉入其中,就会仿佛掉进了一个没有尽头的深渊,越陷越深,再也无法从里面出来。
然而,黑洞实际上并非只是一个存在于宇宙空间中的“洞”或一个“坑”,它和地球、太阳一样,是一种天体——这意味着,它的“原貌”其实也像恒星或是行星一样,是一颗“球”。只不过,由于种种原因,我们却无法在黑洞这颗“球”上看见任何色彩,只有一片寂寥的黑。
其实,黑洞的形成确实与恒星有着千丝万缕的联系。众所周知,恒星并非可以永远发光发热,它的能量是有尽头的,也就是说,恒星是有着有限的“寿命”的。
恒星的内部有着大量丰富的氢元素及其同位素,例如氘和氚。在高达1亿摄氏度以上的高温以及极端高压的作用下,氢原子得以转变为等离子态,即出现了原子核和电子分离的现象。随后,两个较轻的原子核会相互靠近、结合,形成更重的原子核,如氦。这也是我们所熟知的,原子弹的爆炸原理——核聚变反应。
核聚变反应的过程会迸发巨大的能量。以太阳内部正在进行的核聚变为例,太阳的核心部分每秒钟都约有6亿吨氢原子通过核聚变转化为氦,每秒释放的能量约为3.828×10^26焦耳,相当于61亿颗广岛原子弹同时爆炸产生的能量。
如果把太阳每秒钟释放的能量聚集起来,统一投放至地球,那么只需一眨眼的时间,整个地球都将灰飞烟灭——幸运的是,太阳释放出的能量是比较温和的,并非聚集在一个点,瞬间爆炸,而是持续不断地缓慢释放;并且,地球距离太阳也比较远,这才让人类文明得以在地球上繁衍生息。
既然恒星的“燃烧”来源于其内部正在进行的核聚变,而这一过程需要消耗氢元素,同时氢元素又不可能凭空出现,那么也就是说,一旦恒星内部的氢元素消耗殆尽,这颗恒星也就走到了它生命的尽头。
当恒星仍然在活跃时,其内部不断进行核聚变而产生的能量,就好像一双无形的手,将整个恒星“包裹”并且“托举”住,让其不至于向引力的中心坍塌。
这要如何理解呢?通俗来说,当我们站在地面上时,地球的引力是从我们的脚下来的,于是我们默认“下”即为地球引力,也就是重力的方向。而如果地球表面站满了人,我们将这所有人受到的地球引力的方向无限向下延伸,它们就会汇集在一个点上——这就是地球引力的中心。
同样的道理,恒星引力的中心自然也在相同的位置。也就是说,一旦恒星的氢元素耗尽,无力继续燃烧,没有了向外释放的力,没有了这双无形的托举的“手”,那么,其巨大的质量就会向内坍缩,直到形成一个无限小,但无限致密的点——于是,黑洞就这么形成了;而这个极小的点,也就成了黑洞中心的“奇点”。
不过,所谓“欲戴皇冠,必承其重”,要想成为黑洞,也是有要求的。若恒星质量小于1.4倍的太阳质量,那么这颗恒星在死亡后只能成为白矮星,体积小、亮度弱,但质量和密度都很高;而若恒星质量在1.4倍~3倍太阳质量之间,它死亡后就会成为中子星,可以产生脉冲辐射。
只有质量超过了25个太阳的质量,恒星才能坍缩为黑洞。
恒星坍缩为黑洞的过程往往会伴随着剧烈的超新星爆发。这就像是恒星的温度和压力都达到了临界值,剩下的氢原子同时开启了核聚变反应一样,发生巨大的爆炸。
超新星爆发会发出极其明亮的光,发生时甚至可以照亮其所在的整个星系,且持续时间很长,可以达到几个星期或几个月——当然,这一时间以宇宙的尺度来看,只不过是一瞬间的事情。
黑洞是如何吞噬一切的?黑洞形成后,原本巨大的质量全被压缩到了一个小点上。虽然其体积变得无限小,但它的质量却仍然存在,这就意味着,黑洞拥有极大的引力。
如果把宇宙空间比作一张蹦床,那么黑洞的存在就好像在蹦床中心放下了一个极重的球,整张蹦床的表面都会发生形变,向中心凹陷,而无论往旁边放下多少小球,只要它们没有中心的球重,就都会不受控制地朝中心滑动——这就是黑洞为什么可以吸引并吞噬周围一切物质的原理。
小球只要进入了蹦床的形变范围,就会不受控制地朝凹陷中心滑落,同样的道理,当天体或物质进入黑洞令时空产生扭曲的空间后,也会不受控制地被黑洞中心吸引并吞噬——这样的范围,在天文学中被称为黑洞的事件视界,而这个范围的半径,在一般情况下,即是著名的史瓦西半径。
黑洞并不像是路面上无端出现的大洞,而进入黑洞的物质,自然也不会像是掉入大洞的东西那么简单。当天体进入黑洞的影响范围后,由于黑洞强大引力的作用,天体会首先被“撕”成条状,就好像面条一样。这一过程甚至连光都无法幸免,因为黑洞事件视界内时空的畸变程度实在太过于强大,连光速都无法从中逃脱。
这些物质会像月球围绕地球旋转一样,围绕着黑洞中心高速旋转,只不过它们会越转越靠近黑洞的内部,直到彻底进入黑洞。高速旋转的同时,物质之间也会相互摩擦,在种种作用之下,这些物质会被不断加热,并产生高强度的电磁辐射——由此,一个盘状围绕黑洞的“吸积盘”就这么产生了。
在彻底进入黑洞内部,即黑洞的事件视界后,物质就再也无法离开黑洞。它们究竟以怎样的形式存在于黑洞内部?科学界还未得出一个确定的结论,毕竟,“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”,我们还没有可以直接观察、探索黑洞内部的手段,又有谁敢直接断言黑洞内部究竟是什么情况呢?
但根据已有的数据,科学家们还是做了一些比较“靠谱”的计算和推断。根据最新研究表明,物质在进入黑洞后可能会以流体的形式存在,类似于植物中的汁液。因为这样的存在形式可以最大程度地减小物质的所占体积,同时又最大程度地保持物质的完整性。
当然,这并不是科学界唯一存在的观点。也有人提出了另一种与此完全相反的观点,认为进入黑洞内部的物质并不会像“意大利面”一样存在,而是会像“千层饼”一样存在,这就是我们熟知的霍金在2001年出版的《果壳中的宇宙》中提出的观点。
霍金认为,进入黑洞中的天体,并不会直接成为流体或是能量,而是只会以进入时的形态静止在黑洞中。这是因为,黑洞巨大的引力会极端地改变其周围时空的形态,这导致黑洞的内外出现了“视觉差”。
也就是说,假设我们可以看到黑洞内部的情况,我们只能看到各种物质、天体像千层饼一样层层叠叠地静止在其视界面上,但实际上它们是一直在运动的,只不过因为黑洞内的时空被极端改变,使得我们看上去像是它们静止了一样。因此,它们传出的信号永远也无法被外部观察者所接收。
这就像一句老话说的那样,“天上一天,地上一年”——“黑洞一秒,外界永远”。
无论如何,以现有的理论成果来说,进入黑洞内部的物质仍然会不断向其中心的奇点坍缩,最终成为黑洞质量的一部分。
黑洞也有“尽头”吗?那么,黑洞在吞噬了足够多的物质后,又会发生什么变化呢?难道它的“胃口”没有上限,可以永远无止境地吞噬宇宙中的一切吗?
在不断吞噬物质之后,黑洞的质量会持续增长,随着质量的不断增加,超大型黑洞会就此形成。这类黑洞通常位于大型星系的中心,质量在10万到10亿太阳质量之间。迄今为止,人类发现的最大型黑洞是SDSS J073739.96 + 384413.2,质量达到了1040亿倍太阳质量以上。
在黑洞成长得足够巨大后,它可能会与另一个超大型黑洞相遇,两个黑洞可能会形成一个双星系统,相互环绕。但在两个黑洞的质量都越来越大后,平衡难免会被打破,于是两个黑洞会发生合并,成为一个更大的黑洞。这样的情况往往也伴随着两个大型星系的合并。
在黑洞变得越来越大后,科学家们认为,可能会有黑洞突破了其承载量的极限,从而引发巨大的爆炸。这样规模的爆炸甚至可能引起整个宇宙环境的变化,引起整个宇宙的革新或是重组。
而如果黑洞确实不存在承载量的极限,那么在无尽久远的时间后,将出现一个宇宙中有史以来最为巨大的黑洞,它不仅吞噬了宇宙中所有的恒星、行星,甚至吞噬了宇宙中其他所有的黑洞——此后,可能会发生另一次宇宙大爆炸,整个宇宙的发展将再一次重置。
这或许就是黑洞,乃至是宇宙存在的终极奥秘——一生万物,万物归于无,由此无限循环。
而黑洞内部究竟长什么样,它吞噬的物质是否真的会与它融为一体?这一切都要等待人类文明登上下一个阶梯后,或许才有机会得到解答。