什么是黑洞？

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黑洞到底是什么呢？它的身上究竞藏着多少谜题？

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什么是黑洞

一句话来给黑洞下一个定义：黑洞是广义相对论预言的被视界面包住的奇点。视界面，是连光都无法逃出的边界面。黑洞可由大质量恒星塌缩等方式形成，可通过物质吸积等过程被发现，黑洞的存在已经被天文观测所证实。
其实黑洞虽然神秘，却是基于一个非常简单的概念，就是逃逸速度。设想我们往天上抛一枚钱币，它会掉下来，抛得狠一点，它会飞得高一些掉下来时间长一些，如果抛的足够快达到逃逸速度，它就掉不下来了，速度再高就可以飞出地球。对于地球，这个速度是每秒11公里，对于太阳，是每秒600公里（怎么会有飞得这么快的硬币……）。
很早的时候就有科学家在想象，如果一个星体引力特别强，在它上面的逃逸速度超过了光速，会怎么样？这样的星星我们会看不见，它会成为一个“暗星”！如果把地球挤进一个乒乓球、把太阳挤进一个3公里半径的球里，它们表面的逃逸速度就达到了光速，那么光就会逃不出去！但在牛顿力学的框架下，这是不可想象的，“引力怎么能作用于光呢？”
然而，在广义相对论的框架下，质量引发时空弯曲，物体会沿弯曲时空中的测地线运动。所以不管是波、粒子还是光线，运动都会受到时空的限制。这样问题就解决了：如果一个星球的尺度足够小而质量足够大，那它所产生的时空弯曲就会非常大，直到光线都逃不出来，这就是黑洞。由于光线会受到黑洞周围弯曲时空的影响，不再沿直线传播，发生偏折，就像透镜一样。距离黑洞较近的光线偏折严重，可以形成极其扭曲的图像。

今年是广义相对论诞生100周年，让我们顺便纪念一下这位人类历史上最伟大的科学家——没有之一。

黑洞弯曲光线，使得我们同时看到吸积盘的正面和背面

黑洞飘过银河系
1916年，在爱因斯坦发表广义相对论的第二年，史瓦西（Karl Schwarzschild）在一战的战壕里解出了只具有质量的质点在真空中的爱因斯坦场方程，给出了最简单的黑洞模型，即由中心奇点和视界面组成的史瓦西黑洞。视界面是退出我们时空的单行道，一旦穿过就无法回头。在史瓦西黑洞的情形下，视界面也是无限红移面，在那儿发给遥远飞船的光信号的波长会无限拉长。

史瓦西黑洞

克尔黑洞
黑洞也可以转动起来，成为所谓的克尔黑洞，比史瓦西黑洞结构要复杂一些。简单地说，克尔黑洞中心不是奇点而是奇环，而它的视界面和无限红移面会分开。视界和无限红移面之间的区域叫做能层，有转动能储存在那里。Penrose指出，由于黑洞的转动能储存在能层中而非视界内，因此原则上可以提取。例如，一个进入能层的物体分成两块，一块逆着转动的方向落入视界，另一块可以顺着转动的方向带着更多的能量飞出能层，从而提取旋转能。
基于黑洞的转动能，Kip Thorne就为未来的人类设计了给环绕黑洞的城市供电的黑洞发电机。其中，超导线圈驱赶磁力线穿过黑洞能层，提取能层中的旋转能。对于极速旋转的黑洞，可供提取的转动能量为黑洞质量的近30%。太阳质量的10%可以通过核聚变把其中0.6%的质量转化为能量，我们在100亿年内能利用的能量为太阳质量的0.06%。对比太阳，黑洞转动能利用效率原则上可以比太阳核聚变高500倍！

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什么是黑洞？  
黑洞，具有如此强的引力场，其逃逸速度超过光速。这意味着你需要一个大于光速(物理上不可能)的速度才能逃离黑洞，如下图所示。

  
在广义相对论中，质量扭曲的时空取决于质量密度，所以当你在一个很小的区域内收集大量的质量时，时空曲线会严重到连光都会被困住。由于黑洞不会反射，因此它完全是黑色的。  
下面的图像是黑洞的一个很好的类比，在一定的范围内，水流是如此的强烈以至于没有足够的速度来逃逸。但是请注意，下面的图像是二维表示，而黑洞是三维的。



黑洞是如何形成的？  
一切都是从一颗巨大的恒星开始的。当恒星将氢熔合成更重的元素时(这一过程被称为热核聚变)，产生的热量产生了一种向外的压力，这种压力与来自引力的向内作用力相反。从本质上说，热压力可以防止恒星在自身引力作用下塌缩，只要恒星有燃料来熔化并产生热量，热压力和引力就处于平衡状态，称为流体静力平衡。  



在某一点上，恒星耗尽燃料，这意味着热压力降低，引力接管。这是一个核心崩溃发生的时候。恒星末端质量低于钱德拉塞卡极限--1.4倍太阳质量的恒星将崩溃为白矮星。恒星末端质量介于钱德拉塞卡极限和托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限(TOV极限)--2-3倍太阳质量之间的恒星将成为中子星。恒星末端质量超过TOV极限的恒星将成为黑洞。  
假设上面图像中的恒星是30太阳质量。当核心崩塌时，会发生一次爆炸，称为超新星，将大量的物质喷射到太空中。下面是一个真正的超新星的图像：

  
在下面的图片中，您可以看到恒星的初始质量与其质量的关系。对于初始质量为太阳质量30倍的恒星来说，它的最终质量大约是4个太阳质量，这足以形成一个黑洞。  



图像中的两个标记示例。初始质量为25M(M为太阳质量)的恒星末端质量约为2M(TOV极限为2-3M)。我还用蓝色标记了一颗30M的恒星，如你所见，它对应的末端质量也是4M，你可以看到，任何初始质量低于25M的恒星，都会变成质量为0.88-1.44M的中子星。
为什么黑洞有如此强的引力场？  
现在，关键的一点来了。引力场的强度取决于两个因素：
·物体的质量。
·你离物体有多远。

  
如果你看一下上面的恒星，它的半径比中子星和黑洞大得多。然而，由于中子星和黑洞比这小得多，所以比例相差很远。虽然太阳的直径为1392000千米(1个太阳质量)，但中子星的直径通常约为20公里(约为1.4个太阳质量)，一个有3个太阳质量的黑洞，它在这个质量上的施瓦茨海尔德半径(或引力半径)约为8.86公里(直径17.72公里)。  
这里的三个物体，质量增大，半径减小。现在，尽管由于质量的不同，这三个物体都有不同强度的引力场，但它们的半径也是至关重要的。如果我们假设这三个物体的质量相同，但大小不同，那么为了体验来自恒星和中子星的相同引力场，你必须在恒星内部。然而，要从中子星经历与普通恒星相同的引力场，你可以离它很远(用中子星周围的黄色圆圈表示)。所以你看，在相同质量但半径较小的情况下，你可以更接近中子星，就像你接近普通恒星一样，你会在中子星表面体验到比普通恒星强得多的引力场。黑洞有更多的质量和更小的半径，所以当你接近它时，它的引力场是非常极端的。极端到连宇宙中速度最快的光都无法逃脱。


至于我们如何理解黑洞，有两种方法：  
1、观察：尽管你不能直接观察黑洞，但有些方法可以间接地观察黑洞，因此可以更多地了解它们。  
如果黑洞在进食，你可以观察吸积盘。随着物质螺旋进入黑洞，它形成一个吸积盘，它被加热并因此发出明亮的光芒，当太多的物质试图在极点中盘旋并被排出时，会发出X射线和可能的伽马射线。  
你可以观察到黑洞附近的恒星的轨道。由于黑洞对环绕黑洞的恒星施加引力影响，通过观察恒星的角度和速度，因此可以推断出有巨大的物体影响它们。  
你可以观察引力透镜。具有高质量扭曲时空的物体，因此光本身在所谓的引力透镜中变得弯曲。通过测量多少光线曲线，可以推断出黑洞的存在和质量。  
原则上还可以观察史蒂芬霍金辐射。目前的技术无法观测到这种效应，因为信号会被宇宙微波背景辐射淹没。  
2、理论研究：在理论物理学方面也有进展，因为这是深入了解黑洞事件背后的可能性的唯一途径。然后还有黑洞信息悖论。史蒂芬霍金将量子场论应用到黑洞时空中，表明黑洞将辐射黑体辐射的粒子，称为史蒂芬霍金辐射，史蒂芬霍金辐射随时间慢慢蒸发黑洞。这对物理学提出了一个主要疑问，因为它意味着构成落入黑洞的物质的信息永远丢失，而守恒定律表明信息永远不会丢失。多年来，人们一直在试图解决这个问题。
如果你有其他见解，可以在下方评论哦，我相信你的评论可以一针见血。

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银河系是一个直径10-12万光年的棒旋星系，包含了超过1000亿颗恒星。据推测，银河系中每天都有至少一颗恒星走向灭亡，一些大质量的恒星在生命终结后将会变成黑洞，因此，银河系中是遍布黑洞的。
尽管如此，天文学家在最初的时候认为我们不需担心，因为黑洞就如同恒星一样是固定不动的。但后来，天文学家发现了一些证据，这些证据表明有些黑洞会在引力波的作用下脱离原来所在的星系，成为一颗黑洞。

黑洞其实是非常危险的。对于普通的黑洞，天文学家可以通过观测黑洞吸积周围气体是所释放出来的辐射来判断黑洞的位置。但是，对于黑洞，因为它已经脱离了原来所在的星系，其周围并没有气体可以吸积，所以黑洞并不会释放出辐射，天文学家也就无法判断黑洞的位置了。
这可不得了，万一有一颗黑洞游荡到太阳附近，而我们又无法发现，根本就防不胜防。不过还好，天文学家还想出了另外一个可以观测到黑洞的新方法，那就是观测来自其他星系的光，如果来自其他星系的光突然出现奇怪的扭曲或发生其他变化，那我们就可以据此反推出黑洞的位置了。
很幸运，到现在为止，天文学家并没有发现太阳系附近有流浪黑洞存在的迹象。不过我们还不能掉以轻心，天文学家也在持续地进行关注，以防流浪黑洞的突袭。

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黑洞是质量、密度和引力巨大而体积较小的天体。它是由大质量恒星演化而成的，黑洞内部已经不存在原子、原子核、质子和中子了，甚至组成质子和中子的夸克也被巨大的压力压碎。因此黑洞内部再也不会进行核反应了，不对外释放光能了。黑洞内部就是一团质量巨大、密度极大、引力巨大、体积较小的夸克态物质。

但是物质是无限可分的，夸克态物质也是由更微小的基础粒子组成的，这些基础粒子之间距离(空间)相对也是很大的，也存在着一定的内部结构。粒子和粒子之间也存在着巨大的势能，使夸克态物质之间保持一定的距离，不能继续坍塌下去，维持着黑洞这种天体的稳定和存在。
根据史瓦西半径公式可以算出，太阳如果掉在黑洞中，半径就会变成3千米，地球半径9毫米。可见黑洞中的物质，质量和密度是极大的，体积是极小的。这样的物质结构是由于恒星内部的核反应结束后，原子核和原子核之间，中子和中子之间的空间完全消失，物质坍塌而形成了一团夸克态物质。
我们的太阳质量不够大，不足以演化成中子星或黑洞。但太阳的引力会吞并周围的小天体及八大行星，或者被其他大质量的天体所吞并，最终也会演化成中子星或者黑洞。