已知最快的速度是光速,光可以在广阔的宇宙空间中来回穿梭,也可以抵达宇宙的任何角落。可是速度如此快的光在宇宙中也有天敌,这个恐怖的存在正是黑洞。黑洞会将自己周围的一切物质吸入其中,连光都无法逃脱它巨大的引力。黑洞会将自己周围的一切物质吸入其中,连光都无法逃脱它巨大的引力。
光明总是可以打败黑暗,可是在黑洞掌握的宇宙法则中却恰恰相反,这使它变成了宇宙当中最可怕的东西。
黑洞的构造比较简单,中心是一个奇点,周围则是由黎曼几何曲率张量构建的时空,这个时空的边界具有单向性,物质只能进入其中却不可能出来。
黑洞是由恒星的死亡坍缩形成的,所以它的引力才会如此巨大。
如果我们按照物理性质给黑洞划分种类,那么可以将其分为不旋转不带电荷的黑洞、不旋转带电黑洞、旋转不带电黑洞和旋转带电黑洞,其中第一种不旋转不带电荷的黑洞是我们最熟悉的“史瓦西黑洞”。
史瓦西黑洞就是所谓的“寻常黑洞”。它是直接由较大的恒星演化而来的。恒星到晚期时核燃料消耗殆尽,辐射压(光压)急剧减弱,星体在其自身引力的作用下坍缩。若质量(指原恒星的质量)大于3倍的太阳,其产物就是黑洞。在宇宙空间里,此类黑洞具多数,其最大质量一般不超过50.2倍的太阳。
广义相对论认为,黑洞是大质量恒星坍缩的必然结果。恒星是依靠内部不断进行的核聚变产生的辐射压与物质间引力维持平衡的。随着核燃料的逐渐减少,平衡被打破,恒星在引力作用下坍缩,其中质量大于太阳质量3.2倍的恒星将坍缩为黑洞。大质量星,尺度远大于史瓦西半径,光线几乎没有偏转,从恒星表面某一点发出的光可以朝任意方向直接射出。表示随着恒星半径减小。时空弯曲度增大,光线弯曲,出射光线会像喷泉中的水一样回落恒星表面,远处观测者只能偶然看到少数逃逸出来的光子。表示随着引力坍缩继续发展,光的“逃逸锥”不断缩小。恒星尺度减至史瓦西半径时,所有光线均被捕获,逃逸锥关闭,黑洞形成。史瓦西黑洞是不带电的球对称恒星坍缩形成的黑洞。
从数学上来说,史瓦西黑洞就是其外部的引力场符合史瓦西解的黑洞。史瓦西研究的是在绝对真空中完全球对称的,在塌缩过程中没有丝毫物质异动,不带电荷,没有丝毫旋转的,标准理想化恒星的塌缩过程,以及它内外时空的场方程解。
史瓦西黑洞,是寻常黑洞的发祥地,它有一个视界和一个奇点。
(奇点:通常是一个当数学物件上被称为未定义的点,或当它在特别的情况下无法完序,以至于此点出现在于异常的集合中)
视界,是物体能否回到外部宇宙的分界面,在视界外面,物体可以离开或者接近黑洞而保持安全。而在视界上,只有光速运动的物体可以保持不进入黑洞,但是连光也无法从这个面中逃脱。如果不幸进入了视界内部,那么就再也无法出来或者和任何人联络了。此外,视界也是时间和空间属性颠倒的地方,在视界内,空间是类时的,时间是类空的,也就是俗称的时空互换。
奇点,是黑洞奇异性的来源,也就是黑洞中允许相对论和量子理论同时大规模作用于同一个物体的源泉。任何接触到奇点的物质(包括场)必然被奇点摧毁,被分解为纯粹的基本粒子和时空单体,即使是形成这个黑洞、这个视界、这个奇点的恒星,也将被它摧毁而不再对黑洞产生任何影响。
(量子理论:量子论是现代物理学的两大基石之一。)
(基本粒子:物理学术语,指人们认知的构成物质的最小或/及最基本的单位,是组成各种各样物体的基础。)
超大质量黑洞:假如一个天体的密度为1000吨/立方米(水在普通条件下的密度是1吨/立方米),而其质量约为1.5亿个太阳质量的话,它的史瓦西半径会超过它的自然半径,这样的黑洞被称为是超大质量黑洞。绝大多数今天观察到的黑洞的迹象来自于这样的黑洞。一般认为它们不是由星群收缩碰撞造成的,而是从一个恒星黑洞开始不断增长、与其它黑洞合并而形成的。一个星系越大其中心的超大质量黑洞也越大。
(史瓦西半径,是任何具有质量的物质都存在的一个临界半径特征值。在物理学和天文学中,尤其在万有引力理论、广义相对论中它是一个非常重要的概念。个半径是一个球状对称、不自转的物体的重力场的精确解。)
(星群是天文学中出现在地球的天空上的一种非正式星座型态的恒星集团。)
恒星黑洞:假如一个天体的密度为核密度(约 千克/立方米,相当于中子星的密度)而其总质量在太阳质量的三倍左右则该天体会被压缩到小于其史瓦西半径,形成一个恒星黑洞。
(太阳质量是用于测量恒星或如星系类大型天体的质量单位。它的大小等于太阳的总质量,大约1.989×1030 千克(一般取2.0×1030 千克)。用单位符号即可表示为M⊙:太阳质量是地球质量的33万倍。)
微黑洞:小质量的史瓦西半径也非常小。一个质量相当于喜马拉雅山的天体的史瓦西半径只有一纳米。暂时没有任何可以想象得出来的原理可以产生这么高的密度。
恒星级黑洞:是一种大质量恒星(大约20倍太阳质量,但其真实质量并未证实,而且也取决于其他变数)引力坍塌后所形成的黑洞,可以借由伽玛射线暴或超新星来发现它的踪迹,其质量是五至数十倍的太阳质量。已知质量最大的恒星黑洞是70倍太阳质量即LB-1。由中国天文学家利用郭守敬望远镜(LAMOST)发现,另外,也有证据是一个拥有24至33倍太阳质量的恒星黑洞。
恒星级黑洞由大质量恒星死亡形成,是宇宙中广泛存在的“居民”,理论预言银河系中有上亿颗恒星级黑洞
超大质量黑洞:是一种黑洞的类型,其质量介于100万倍至100亿倍太阳质量之间。通常相信在包括银河系在内所有星系的中心,都会有一个或数个超大质量黑洞的存在
天文学家发现每个星系中央都潜伏着一个超大质量黑洞,我银河系中央同样有一颗,这颗超大质量黑洞距离我们大约2.7万光年,星系中央的超大质量黑洞可以统治整个星系内的所有天体,而科学家正在不断发现质量更大的超级黑洞。
根据科学家的统计,银河系的中央隆起中包括了大约1百亿颗恒星,跨度达到数千光年左右,其周围存在一些尘埃团和气体结构,使得我们对银河系中央隆起的观测受到了一定的影响。
黑洞是广义相对论预言的一种特殊的天体。其基本特征是有一个封闭的视界。任何东西,包括光在内,只要进入视界以内都会被吞噬掉。
按照大爆炸学说,在宇宙形成早期可能会产生一些质量为10的15次方克的小黑洞。