黑洞是如何形成的?

導讀
黑洞是宇宙中最迷人的存在之一。它們隱形於星系深處,像一個伏擊者,能將經過的恆星等天體撕碎,使其殘骸四處散落。無論黑洞的本質是什麼,這些奇特的宇宙物體將繼續吸引著科學家和非專業人士的關注。

但是,黑洞是從哪裡來的?它們如何形成,以及是什麼賦予它們如此具有破壞性的能量?在回答這些問題之前,我們必須先回答一個更為基本的問題:什麼是黑洞?

普林斯頓大學的天體物理學家內塔·巴斯考爾說:“基本上,這是宇宙中的一個物體或一個點,其引力如此強大,以至於沒有任何東西能夠擺脫。”甚至光都會被黑洞吸收,這也是黑洞無法被看到的原因。  

這些奇特天體的出現過程,就像是鳳凰從死亡恆星的灰燼中涅槃重生一樣。當巨大的恆星走向生命終點時,其內部用於核聚變形成氦的氫元素幾乎耗盡。於是,這些恆星開始燃燒氦,使剩餘的原子聚變形成更重的元素,直至鐵元素的形成,此時核聚變已經不足以提供足夠支撐恆星最外層的能量。恆星最外層開始向內塌陷,然後發生極為明亮的超新星爆發。


不過,此時恆星依然有一小部分殘留著。阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論預言,如果這些殘留具有大約三倍於太陽的質量,那殘餘恆星的強大引力將會超越其他一切,組成恆星的物質將塌縮稱一個體積無窮小、密度無窮的點。實際上,已知的物理學定律還無法完全解釋這些無窮性。“它們會在某個節點分裂瓦解,而我們並不知道真正發生了什麼。”  

如果這一恆星遺跡是孤立存在的,那黑洞通常會呆在原地,不會造成什麼影響。但如果有氣體和塵埃圍繞,那這些物質就會像下水口的水流一樣被黑洞吸入。在這一過程中,氣體和塵埃的溫度升高,產生明亮的光線,而黑洞也將它們的質量納為己有,從而不斷發展壯大。  

如果兩個黑洞相遇,它們各自強大的引力將互相吸引,使雙方環繞旋轉,並越來越接近。它們的總質量將震動周圍時空的網織結構,產生引力波。2015年,天文學家通過激光干涉引力波天文台(LIGO)發現了這種引力波的存在。  

巴斯考爾說:“那是我們第一次真正’看到’黑洞並證實它們的存在。”她補充道,這些結果還進一步證實了愛因斯坦預言的方程。

此前科學家已經發現了黑洞存在的間接證據,指出銀河系中心的恆星正圍繞著一個巨大的隱形物體運轉。這種超大質量黑洞——質量是太陽的數十億倍——的形成是一個非常具有挑戰性的問題。 

研究者認為,這些超大質量黑洞最初要比現在小得多,它們在宇宙早期形成時可能只有中等規模。經歷了宇宙尺度的時間,這些黑洞不斷吸收氣體和塵埃,與其他黑洞碰撞、融合,最終形成了巨無霸的規模。不過,巴斯考爾也表示,這一理論的許多細節依然十分模糊。

天文學家已經觀察到被稱為類星體的天體,它們是極度明亮的活動星系核,其能量可能來自吞噬物質的超大質量黑洞。類星體的年齡可以追溯到大爆炸之後的第一個10億年。在宇宙剛剛形成的時候,為什麼會在如此短時間內形成如此龐大的物體?科學家對此仍然非常困惑。“這無疑凸顯並增加了這一問題的複雜性,”巴斯考爾說道。(任天)

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