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Dec. 19 2017

黑洞這麼「貪吃」,最後會被「撐死」嗎?

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  • 黑洞這麼「貪吃」,最後會被「撐死」嗎?

黑洞最後會怎樣結束?

圖片來源:123rf.com.cn正版圖庫

黑洞最後會怎樣結束?這是一個很好的科學問題。

我們知道,恆星的生命並不是無限長的,最終都會變成其他天體。比如在大約50億年之後,我們熟悉的太陽將從恆星變成紅巨星。但是宇宙中有些天體如果不管它,讓它自生自滅,它可能真的會一直存在下去,比如恆星演化到最後能夠形成的白矮星和中子星,絕大部分都會一直存在下去,目前不知道有什麼機制會讓他們自己消失或變成別的天體。

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但是黑洞還真是很不同。首先我們看看真實的宇宙中都有哪些,以及會有哪些黑洞?目前天文學家們已經發現的黑洞主要有兩類。

一類是質量太陽質量幾倍到幾十倍的黑洞,算是質量比較小的黑洞了,它們基本上都是大質量恆星演化到最後的結果。這種黑洞在每個星系裡面都有,比如在銀河系裡就有很多,我本人還發現了其中一個特別重要的黑洞——GRO J1655-40,這個黑洞的質量在六至七倍太陽質量之間,它不是孤獨存在的,而是和一個普通恆星組成了一個雙星系統。天文學家們已經在銀河係發現了幾十個這個量級質量的黑洞,但是應該還有大量尚未被發現的,由我本人擔任首席科學家的慧眼天文衛星的任務之一,就是研究這種黑洞和發現更多的這種類型的黑洞。

另一類是差不多每一個星系中心都有的超大質量黑洞,它們的質量在太陽質量百萬到百億倍之間。我們的銀河系中心就有一個質量是太陽質量400萬倍的黑洞,屬於這種黑洞中質量較小的。這些巨大的黑洞一開始是怎麼產生的還不是很清楚,但是它們肯定是通過吞噬所在星系裡面的物質長大的。

一些觀測證據表明,應該還存在介於上述兩種黑洞質量之間的黑洞,但是目前已有的證據還不是特別充分,所以也不是很清楚它們的來源。

上面提到的這些黑洞都是宏觀黑洞,根據我們目前的理解,它們的未來只有一個方向:宏觀黑洞會繼續吞噬能夠遇到的任何物質和能量,長得越來越大;然而在體積越來越大的同時,它們的平均密度會越來越小,也就是說它們會變得越來越虛胖

圖片來源:《星際效應》官方劇照

1974年,物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)提出了黑洞的輻射理論,即霍金輻射(Hawking radiation)。根據這個理論,黑洞會通過霍金輻射損失一部分質量和能量。雖然霍金輻射會讓它們「冒汗」,但是消耗的量遠遠比不上它們貪吃的量,所以也就根本無法減肥。

事實上,宇宙中的所有物質最後都可能落入到這些貪吃的黑洞的內部,到那時候,宇宙中就真的是漆黑一片了。

有沒有可能避免宇宙變成這樣?答案是不知道。幾年前我提出了一個猜想,如果這個猜想是正確的,我們的宇宙可能還有救!當然這是另外一個有趣的問題了,這裡不再解釋。

除了這些宏觀黑洞之外,宇宙大爆炸的過程中也可能產生質量比較小的量子黑洞(質量通常比一座山小),這些黑洞就能夠產生比較強烈的霍金輻射,使得黑洞的消耗大於其貪吃的量。當然前提是假設霍金輻射的理論是正確的。根據標準的霍金輻射理論,這些量子黑洞的輻射會導致黑洞質量減少的同時溫度升高,輻射效率就更高,於是到最後就演變成質量非常小溫度非常高,這就是一個爆炸。所以量子黑洞是自我毀滅的黑洞。

但是有些人(包括我本人和我的學生楊榮佳,他現在是河北大學的教授)認為霍金的黑洞輻射理論不完備,提出了修改的黑洞輻射理論,這樣量子黑洞輻射到最後不會爆炸,而是形成一個不是黑洞的穩定粒子,其質量就是普朗克質量(Planck mass),約為質子質量的1000億億倍,也就是10萬分之一公克,大約一粒灰塵的質量。而這樣的粒子有可能就是我們目前正在搜尋的暗物質(Dark matter)粒子。

目前,不管是霍金的標準黑洞蒸發理論還是修改的理論都還沒有得到觀測或者實驗的驗證,所以我們既不知道量子黑洞是否存在,也不知道量子黑洞最後的結局是什麼。

 

撰文:張雙南

編輯:婉珺

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