中子星物质已经很难用元素诠释,那么黑洞里面究竟是什么物质?
黑洞,是宇宙中最诡异的天体,通常是大质量恒星死亡后的产物,也就是恒星的"坟墓"。
很多人认为黑洞的密度无限大,这种说法并不严谨。所谓的"无限大"只是黑洞中心的奇点,并不是指黑洞本身。
黑洞都有事件视界,事件视界是时空的分界线,任何物体一旦越过事件视界就会被黑洞完全吞噬。黑洞的视界会组成一个球面,这个球面通常会被认为"黑洞"。
这个事件视界其实就是黑洞的史瓦西半径,公式为:R=2GM/C²,其中R就是史瓦西半径,M质量,G是引力常数,C光速。可以这样通俗理解:逃逸速度等于光速时计算出的R就是一个天体的史瓦西半径。而想要逃出黑洞事件视界,需要超光速才可以,但宇宙的速度极限就是光速。
那么黑洞里面到底是一个什么状态呢?尤其是奇点,到底是由什么组成的呢?
我们都知道,万物都是由原子构成的,而原子又是由原子核(质子中子)和电子构成。
但是原子仍旧可以被压缩。比如说我们的太阳最终会变成白矮星,白矮星就是太阳死亡过程中向内急剧坍缩形成的。白矮星密度非常高,组成白矮星的物质已经完全不能用元素周期表里的元素解释了。
通常情况下,质量在三个太阳以下的恒星死亡之后会成为白矮星,比如我们的太阳在50亿年之后就会开始向白矮星演化。
白矮星物质密度非常高,原子被压缩得很厉害,但电子仍旧没有被压缩到原子核上,依靠着"电子简并压"支撑着。
何为"电子简并压"?简单讲,两个或者两个一样的费米子 费米子(自旋为半整数的粒子)不能处于同等状态(比如说电子,不能处于同一个轨道),这就是泡利不相容原理。
这种不相容决定了费米子之间会出现无法相容的压差,白矮星内部就靠压差支撑着,不会继续向内塌陷。
但即便是这样,白矮星密度已经高得吓人了,每立方厘米可以达到数吨,比如今已知的任何元素都要高得多。
密度如此之大,意味着白矮星会吞噬靠近的物体,比如说经常会吞噬附近的恒星,然后质量不断增加,达到一定程度(钱德拉塞卡极限,1.44倍太阳质量),即便是电子简并压也无法抵抗巨大的引力。此时白矮星物质会继续向内坍缩,引发聚变,最终电子被压缩到原子核,与质子结合形成中子,一颗中子星就诞生了。
中子星的密度比白矮星要大得多,每立方厘米达到十亿吨,简直无法想象!
中子星引力巨大,但它并没有因为巨大的引力继续向内坍缩,这是因为中子简并压(与电子简并压类似)与强大的引力保持平衡。但如果中子星质量增大,达到奥本海默极限(三个太阳质量以上),中子简并压再也地方不住引力,中子星就会继续向内塌陷。
于是,黑洞便诞生了!
这里需要强调一下,黑洞并不一定非得是中子星产生的,如果一个恒星质量巨大(通常达到8倍太阳质量),恒星在死亡之后也会坍缩为一个黑洞。
恒星在氢燃料耗尽之后,核心会继续发生聚变,氦聚变,然后是碳,氧等。大质量恒星甚至能一直聚变到铁元素,然后就停止了。
由于铁元素是最稳定的元素,别铁更轻的元素聚变时都会释放能量,而铁元素要发生聚变必须吸收能量才可以。
超大质量恒星在向内坍缩的过程中会产生巨大能量,让铁元素继续聚变成更重的元素,然后发生剧烈爆炸,这就是所谓的超新星爆发。
超新星爆发的过程中,把外层物质喷洒到浩瀚星际空间,成为下一代恒星行星的原材料,最后剩下一个黑洞或者中子星。
超新星爆发非常剧烈,是仅次于宇宙大爆炸的猛烈宇宙事件,如果在100光年内发生超新星爆发事件,地球会瞬间被摧毁。
话说回来,中子星物质的密度已经大得让我们无法描述了,那么组成黑洞奇点的物质到底是什么呢?
目前或许只能用科幻的思想加以描述了,甚至不能用"物质"来描述。
想想看,把中子星里面的中子也完全碾碎了,压缩成体积无限小的奇点,这本身就超出了我们的认知。
即便是在数学领域,"无限"这个概念也带给人类很多不解,曾经制造了三次数学危机,直到目前也没能完全解除危机。
而有黑洞的事件视界是时空的分界线,意味着黑洞内部肯定不再是我们熟知的时空,或许就是传说中的"超时空",那里也很可能隐藏着我们梦寐以求的终极奥秘!
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