暗物质比正常物质多5倍，那黑洞主要是由暗物质组成的吗？

jimmy肖明

"想象力比知识更重要."——死因斯坦

自广义相对论诞生以后，宇宙中存在黑洞的想法也就应运而生，我们现在不仅在理论上预测了黑洞的形成方式，而且也捕捉到了黑洞模糊的身影。黑洞是引力作用下的极端产物，如果我们在把宇宙中更加神秘的暗物质考虑进去，会发生什么？暗物质是星系的主要质量，那黑洞中是否存在大量的暗物质？

我们现在很确定，在宇宙中暗物质与重子物质的相互作用仅仅只通过引力交互，而且暗物质的数量约为重子物质的5倍，那么这是否说明了：一个黑洞的6分之5必须是暗物质。这个说法是否能给我们提供关于黑洞和暗物质更多的信息？

关于这个问题，我们首先考虑下黑洞到底是什么？

以我们的地球为例，地球表面的引力虽说很讨厌，让我们感觉很累！但引力也支撑着生命的存在。人类为了逃离地球的重力场，必须达到惊人的速度，大约11200米/秒。太阳光球层的重力场要比地球强大得多，需要以618000米/秒的速度才能摆脱太阳的引力。虽说这些速度很快，但在适当的条件下我们还是可以达到的。

但是如果在一个足够小的空间里有足够大的质量，那么物体需要达到的逃逸速度可能会大于299,792,458米/秒，这个数字是不是很熟悉，这是真空中的光速。既然宇宙中没有什么物体的速度能超过光速，那么就没有任何物体能逃脱这个引力场，甚至光也不行。这就是一个黑洞的定义。

从黑洞的外部来看，我们无法判断黑洞是由质子、电子、中子、暗物质甚至是反物质组成的。据我们所知，我们只能从黑洞外部观察到三个性质：质量，电荷和角动量，角动量是衡量黑洞旋转速度的指标。因此，如果我们想知道一个黑洞最初是由普通（重子）物质构成，还是由暗物质构成，就必须研究两件事：

天体物理学关于黑洞最初是如何形成的

一旦黑洞形成，它们如何获得和失去质量。

让我们从黑洞的来源说起，最初形成的黑洞是否存在暗物质

当我们仰望天空中年轻的恒星群时，一些非常突出、明亮的蓝色恒星很容易引起我们的注意。如果我们仔细观察，就会这个大质量的蓝色恒星并不能真正代表宇宙中绝大多数的星星。因为每形成一个蓝巨星，就会形成数百颗像我们的太阳或更暗的普通恒星；事实上，宇宙中形成的恒星中只有5%比太阳更大更亮！

虽然这些最大、最热、最亮的恒星在宇宙中十分罕见，但它们却与黑洞有关。这些恒星如此明亮的原因是因为它们以非常惊人的速度在其核心燃烧着核燃料。像太阳这样的恒星耗尽燃料之前可能会存在120亿年，但质量是太阳10倍的恒星只会存在0.1%的时间。而宇宙中最大的恒星是太阳质量的数百倍，现在我们就会意识到这些蓝巨星有多么的短命。

大质量恒星在其核心可以把氦熔合成碳，然后把碳熔合成氧，氖和镁，然后把氧熔合成硅，最后把硅熔合成铁，恒星核心就变的每一个阶段都会收缩和升温。

正是恒星核心持续的核聚变产生的辐射压力才使恒星免于引力坍缩，但铁是大质量恒星的最后一根稻草。当核聚变进行到最后一个阶段时，通过将铁熔合成任何更重的元素都无法释放更多的能量，所以恒星的核心会在自身的引力作用下崩塌。在引力的作用下，无论是原子还是原子核都将无法支撑自身，恒星的核心猛烈坍缩所释放的重力势能会引发壮观的超新星爆发，其内核会不可阻挡的坍塌成一颗黑洞。

所以最初黑洞刚形成的时候，100%的正常物质（重子物质），可以说是0%的暗物质。

暗物质在星系中是如何分布的

暗物质只在引力的作用下相互作用，而普通物质通过引力、弱力、电磁力和强力相互作用。所以当正常物质与其他正常物质接触时，不管是通过电磁力、弱力还是强力，正常物质可以粘在一起，聚集，交换动量，并积累更多的正常物质。而另一方面，暗物质既不与普通物质“作用”，也不与其他暗物质“作用”。（因为没有其他三种力）这就是为什么，当我们观察星系和星系团的时候，我们会认为螺旋星系或椭圆星系被限制在一个相对较小的空间区域内，但整个星系却被嵌在暗物质晕中，其体积可能是普通物质的数千倍。

在大型星系和星系团中，暗物质的总量可能是普通物质的5倍，但这考虑的是整个暗物质大光晕的总和与物质的比较。对于我们所讨论的局部空间区域，也就是在星系的内部，正常物质完全支配着暗物质，也就是比暗物质多。

如果我们在太阳系周围画一个半径为100个天文单位的圆（其中一个天文单位是地球到太阳的距离），这个圆就会把所有的行星、卫星、小行星和几乎整个柯伊伯带都圈起来，但是在圈内部的重子质量（正常物质）将由太阳主导，重量约为2×10^30千克。另一方面，同一圈内暗物质的总量是多少？只有1×10^19千克，也就是同一区域正常物质质量的0.0000000005%。

无论我们讨论的是位于距银河系中心数千光年的独立黑洞，还是那些由星系核心附近的许多其他黑洞合并而成的超大质量黑洞，它们最初都是从大约100%的正常物质和0%的暗物质开始的。

随着时间的推移，黑洞会以这两种物质为食。那么暗物质是否主导了黑洞？

如果我们想让黑洞质量增加，最简单的方法是比较正常物质和暗物质的吞噬量，也就是比较正常物质密度和暗物质密度。在我们太阳系的位置，正常物质的密度是1.2×10^28千克每立方光年，而暗物质的密度仍然很大:2.5×10^27千克每立方光年，大约是正常物质的20%。但是要记住，在银河系的边缘和银河中心是一个完全不同的故事。

银河系中心有更多的暗物质，因为随着我们向星系中心移动，暗物质晕的密度会增加。然而，这种效应并不会增加很多，而且还存在巨大的不确定性，最乐观的增长也将是1万倍左右。(悲观的估计是10到100倍）另一方面，银河系中心正常物质的密度大约是太阳系附近的5千万倍。在我们所在的地方，暗物质可能占黑洞增长的16%，但最多只能占银河系中心黑洞增长的0.004%。因此黑洞几乎是由正常物质形成的，无论黑洞身处在哪里。

在物质密度较低的地方形成的黑洞（比如我们所在的地方）将有很大一部分增长来自暗物质，但这种增长，就平均而言与最初黑洞的质量相比微不足道。

在物质密度高的地方形成的黑洞（比如在银河系中心附近）将会经历显著的增长，但至少99.996%的增长来自正常物质，而不是暗物质。

综上所述：暗物质确实是黑洞形成和成长的组成部分，但暗物质的作用太小了，也没有任何重要性，因此，这并不能告诉我们关于暗物质的知识。

这里还有个问题，由于史蒂芬霍金辐射的作用黑洞会失去质量。但这个过程非常缓慢，在有限的时间尺度上完全可以忽略不计。一个太阳质量的黑洞需要10^67年才能蒸发掉，也就是说，由于史蒂芬霍金辐射，它在一年内蒸发掉的质量还不到一个电子的质量，而宇宙中最大的超大质量黑洞需要10^100年才能蒸发掉，就算宇宙再过上138亿年，它损失的质量还不到一个电子的质量。所以史蒂芬霍金辐射并不会影响黑洞内正常物质和暗物质的比例。

这就是对黑洞是否由暗物质构成的定量分析。黑洞最多只能由0.004%的暗物质组成！


原文地址：今日头条