释疑解惑 您当前所在位置:首页 > 释疑解惑
黑洞是如何形成的 ?
    时间:2011-1-14     点击率:30272

编辑同志:
  看到你们介绍黑洞的文章很有趣,特别是那些照片很漂亮啊!但是能说说黑洞是怎么形成的吗?谢谢!
                   一名喜欢《力学园地》的读者
                       2010-12-9
 

大质量恒星的超新星爆发与伽马射线暴造就了黑洞

  宇宙中的天体也与地球上的生物一样,会经历诞生、成长、衰老和死亡。广义相对论预言,黑洞就是大质量恒星死亡以后的“残骸”。具体来说,黑洞是质量大于20倍太阳质量的恒星死亡以后形成的一种天体。
  力学知识告诉我们,万有引力无处不在,它和物体的质量成正比、距离的平方成反比。那么,任何一个恒星各个部分之间当然也是存在万有引力的。但是,恒星之所以能够维持一个较大的球形而没有被万有引力吸引得“塌缩”下去,是由于存在其他的力与引力抗衡,这个力就是恒星内部热核反应加热气体产生的膨胀力。大家知道,热核反应的基本过程是将较轻的氢原子合并成较重的氦原子,在这一过程中会释放出大量的热量。等到核燃料逐渐耗尽的时候,恒星也就开始衰老,濒临死亡了。这时,气体就会逐渐冷却下来,与引力相抗衡的气体压力因而就会大大减小。于是,恒星的外周部分在强大的万有引力作用下迅速向中心塌缩,恒星的体积迅速缩小。在塌缩过程中,恒星内部会形成反弹激波,恒星外层的气体会在反弹激波的作用下爆炸,将一部分气体抛到宇宙空间中这就是后面将要提到的超新星爆发或伽马射线暴现象。
  下一步的命运取决于原先恒星的质量。如果原先的恒星质量较小,小于10倍太阳质量,当恒星缩小到一定程度后,一种叫做“电子简并压力”(见注释)的力能够与引力抗衡,星体于是停止塌缩。这时形成的星体叫“白矮星”。这种星体表面仍然存在少量可燃烧物质,但是温度非常高,所以颜色很“白”。再加上这种形体体积很小,即“很矮”,所以叫做白矮星。
  如果爆发前恒星的质量比较大,大于10倍太阳质量但小于20倍太阳质量,引力就会更强一些,这时电子简并压力也无法与引力抗衡,恒星会进一步塌缩。这时另一种力——“中子简并压力” (见注释)出现并发挥作用,能够与引力达到平衡。星体于是停止塌缩。这时形成的星体叫做“中子星”。中子星中大部分物质都是由中子构成的,中子和中子之间空隙很小,故中子星密度非常大:它的半径只有10公里,但是质量却达到太阳质量的2倍!
  如果爆发恒星的质量高于20倍太阳质量,引力会非常强,即使是中子简并压力也无法与之平衡,于是恒星只能进一步地塌缩下去,变成一个黑洞!美国宇航局(NASA)于2010年11月15日宣布发现的最年轻的黑洞,其前身星正是一个大约20倍太阳质量的恒星!
  科学家通过详细的研究表明,对于质量大于20倍太阳质量的恒星,它们演化的最终结局虽然都是黑洞,但却有两种截然不同的具体表现:一是超新星爆发,二是伽马射线暴。恒星到底表现为哪种方式,取决于恒星的初始物理状态,比如旋转的快慢。旋转慢的大质量恒星死亡后会发生超新星爆发;而旋转快的则会形成一个强大的“喷流”,也就是伽马射线暴。超新星爆发与伽马射线暴两种爆发的总能量相差无几,区别在于前者较为“温和”,即这些能量是在较长的时间里爆发,而且向不同方向喷出,而后者非常剧烈,在极短时间里——从不到1秒到几百秒——就发出巨大的能量, 而且集中在一个方向上。到目前为止,伽马射线暴是人们所观察到的宇宙中最剧烈的爆发现象。它是上世纪60年代才偶然发现的比较新的天文现象,关于它的起因仍是一个谜,因此这是目前天体物理研究的一个热点。而这次观测到的年轻黑洞,是形成于31年前的一次超新星爆发。

注释: 要真正了解甚么是简并压力(Degenerate pressure),先要明白量子力学(Quantum Mechanics)的泡利不相容原理(Pauli's exclusion principle)。简单来说,有一些基本粒子(例如电子、中子、质子等)是有排它性的,它们不能占据空间中的同一个位置。就好像一群顽皮小孩,你要他们靠在一起,他们总会推推撞撞,要把旁边的小孩赶得远远的。你要他们靠得越近,要用的力量也越大。这种粒子间的相互排斥力,便称为简并压力。在白矮星中,抗拒星体进一步塌缩的坏小孩便是电子,所以称这种排斥力为电子简并压力。而在中子星中,由于引力实在太强大,电子简并压力也对付不了,结果电子被迫压进质子内,结合而成中子,此时抵抗引力的排斥力,便是中子简并压力。假若中子星体的质量超过20个太阳质量,那么中子简并压力也对抗不了引力,到这时,自然界已再没有自然力量可和引力抗衡,物质只能无限塌缩,成为黑洞。
                                 (毛天祥摘编)