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有人问过这个问题:如果引力影响空,那么黑洞中密度极大的物质向哪个方向塌陷或者没有物质?这里面有一些模糊的概念,也是很多天文爱好者的一些误解,所以时间空交流在这里和大家探讨以下。知道了这些问题,我们对天体演化的认识就会清晰很多。
这个问题中提到这么几个概念:极端密度、下陷崩塌、黑洞、物质。弄清楚了这些,这个问题就迎刃而解了。
首先,极限密度不是无限密度,所以不适用于黑洞。一般极端可以理解为非常、特殊、顶意,或者可测;而无穷大则没有极限,无法测量。
所以黑洞可以用无限密度来描述,因为没有人知道或者可以探测到它的密度;一般用极端密度这个词来描述中子星或者白矮星。中子星的密度是每立方厘米10-10亿吨,白矮星的密度是每立方厘米1-10吨。这个密度在地球上是达不到的,属于宇宙中的特殊天体,但是可以测量,所以一般用极限密度来测量。
此外,大爆炸的初始普朗克密度是我们宇宙中已知的最高密度。这意味着距离大爆炸开始还有10-43秒(这是人类已知最短的时间,普朗克时间),宇宙刚刚从量子涨落的背景中浮现出来。此时宇宙密度超过每立方厘米10.94克,是质子的10.78倍。但这个密度也是人类可以测量和理解的,所以可以用顶来表示。高于这个密度的密度是人类无法识别的,至少在现阶段是这样的。
黑洞中的奇点无限小,也就是不知道有多小,因此就无法描述这个密度有多大了,只能用“无限”这个词。
对奇点的无限密度和无限曲率的描述,来源于奇点是一个无限小的东西,没有体积。即使没有体积,一个质子的密度也会变得无限大,最小的黑洞也有太阳质量的两倍以上。
我们有些人在日常生活中写作或倡导某件事时,总喜欢用“无限”这个词,这其实是一种认知上的错误。这个世界上很少有无限的东西。大爆炸动态宇宙理论已经诞生100多年了。所有的观察证据都支持这个理论,到目前为止还没有相反的证据。因此,这一理论已经成为科学界的共识。无限宇宙无始无终的静态宇宙观被抛弃了,这样宇宙也是有限的,无限这个词就不能用了。
其实黑洞奇点已经不是我们世界的东西了,已经不能用“物质”这个词来衡量了,所以奇点中是什么“物质”的说法是不准确的,我只能用“东西”、“玩意”来形容它。
一般来说,奇点是一个超时空的东西,不是我们三个维度空之间的东西,而是某种我们探测不到的能量,所以不受人类物理理论的束缚。
和黑洞奇点一样,BIGBANG之前的奇点是无限小的。比质子或夸克小多少倍还是未知数,其密度在宇宙的普朗克时间尺度之上。所以“无穷大”对于黑洞和BIGBANG奇点是合适的。
黑洞是大质量恒星死亡后坍缩的结果。它的中心是一个无穷小的奇点。根据它的质量,这个奇点会影响到一个曲率无限大(引力无限大)的周围天空区域。在这个范围内,即使是光也无法逃脱。这个看起来像空空的天空区域叫做“史瓦西半径”。
史瓦西半径是任何质量物体的一个临界半径特征值,任何坍缩成自身史瓦西半径的物体都必然成为黑洞。但是要坍缩到这个临界值需要巨大的重力压力,这就需要足够大的质量。太阳的史瓦西半径约为3公里,地球的史瓦西半径约为9毫米。
现在我们来说说所谓的“下陷”、“崩塌”。首先这个“下陷”是用词不当的,它与“崩塌”的意义还是有区别的。
在恒星演化的末期,中心失去了核聚变的张力,无法抵抗巨大质量的收缩压力,所以会迅速向中心坍缩。记住,是“崩”还是“崩”,但“崩”既包含“崩”,也包含“崩”,这不是很准确。因为这种情况一般都是向中心收缩力,不存在那个方向“下沉”的问题。用“崩”“崩”更准确。
但为什么不是“缩”而是“崩”或“崩”呢?因为这种收缩非常快,越来越快,所以收缩速度会成倍增加。这不是普通的收缩,只能用“崩”“崩”来形容,更形象。
超新星爆炸后,恒星中心质量超过太阳8倍的残余物质会坍缩成致密的中子星。这种行星是由于巨大的引力压碎了原子,把电子压进了原子核。带负电的电子与带正电的质子结合形成中子,使整个星球成为一个由中子组成的巨大的中子核。这个中子核的半径只有10到20公里,它的质量确实至少是太阳的1.44倍。
当这颗中子星的质量超过太阳质量的两倍时,中子简并压抵抗引力压的状态就会被破坏,引力会使它进一步坍缩。最终,它会在自己的史瓦西半径内坍缩,而且不可避免地会无限坍缩。所有物质都会坍缩到那个无穷小的奇点,它会变成一个黑洞。这里又用到了“无限”这个词,似乎成了奇点的专用术语。
一般大于太阳质量30倍的恒星,在演化末期的归宿是超新星大爆炸后坍缩成一个黑洞。
这颗恒星最终会塌缩成中子星还是黑洞,实际上取决于超新星爆炸后核心还剩下多大。大爆炸后,大部分质量将被抛弃,中心剩余部分的质量在达到钱德拉塞卡极限,即太阳质量的1.44倍以上时,将坍缩成中子星。当残余质量达到奥本海默极限,即超过太阳质量的2.16倍时,就会坍缩成黑洞。
然而低于钱德拉塞卡极限的质量只能成为白矮星。由于我们太阳的重力压力不够,中心的核聚变反应会在到达碳元素时停止。不会有超新星爆发,只会变成红巨星。最终外围会消散,中心留下一个致密的核心,成为一颗地球大小的白矮星。
所以我们记住了这些关键概念:恒星的最终残余~黑洞、中子星、白矮星不是主序星的总质量,而是残余质量;恒星在演化末期的收缩叫做坍缩或坍缩,而不是下陷;中子星的密度是极端的,但是黑洞的密度是无限的。左右星的命运是质量,临界点是钱德拉塞卡极限和奥本海默·极限。
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