黑洞最後會變成什麼?

Pinkyo


答:黑洞會不斷地吸取周圍物質,同時也會通過黑洞蒸發(霍金輻射)損失質量,但是大質量黑洞的霍金輻射是非常緩慢的,壽命遠比我們宇宙年齡長,比如太陽質量的黑洞,理論壽命達到了10^65年。


在相對論中,黑洞被描述為只進不出的奇異天體,如果考慮量子力學效應,其實黑洞並非只進不出,在黑洞視界的地方會因為量子漲落產生虛粒子對,使得黑洞向外輻射正能量粒子,這種現象叫做霍金輻射。

在霍金輻射還沒有提出以前,量子力學中存在一個非常大的謎團——“黑洞信息悖論”,因為如果黑洞只進不出,那麼進入黑洞的物質攜帶信息完全消失了,這是違背信息守恆定律的,當時也有一些科學家堅持認為黑洞強大的引力足以讓信息守恆定律失效。

直到霍金提出黑洞蒸發理論,才徹底解決了這個問題,其實進入黑洞的物質攜帶的信息並未消失,而是通過霍金蒸發釋放出來,信息守恆定律對黑洞也成立。

根據黑洞蒸發理論,每顆黑洞都存在一個輻射溫度,輻射溫度與黑洞質量成反比,質量越小的黑洞,輻射溫度越高,對應的蒸發壽命越短,比如:

(1)十億噸大小的黑洞,對應的史瓦西半徑只有原子核大小,輻射溫度高達1萬億度,蒸發壽命大約是100億年。

(2)月球質量大小的黑洞,輻射溫度只有1.7K,比宇宙背景輻射溫度2.7K還低。

(3)太陽質量大小的黑洞,輻射溫度只有6*10^-8K,壽命更是高達10^65年數量級。

對於恆星坍塌形成的黑洞,理論上質量都大於3倍太陽質量,輻射溫度非常低,壽命遠比我們宇宙年齡長;目前我們宇宙的背景輻射溫度是2.7K,對於絕大部分黑洞來說,可以直接從宇宙背景輻射中吸收能量,於是這些黑洞的質量只會增加不會降低。

在宇宙大爆炸之初,也許形成了許多原初黑洞,原初黑洞的質量很小,這些黑洞的輻射溫度非常高,壽命很短,但是原初黑洞只是理論中的假設,目前天文學家還從未發現小質量黑洞的存在。


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艾伯史密斯


由於霍金輻射的發射,黑洞的壽命是有限的。然而,對於大多數已知的天體物理黑洞來說,黑洞完全蒸發和消失所需的時間遠遠長於當前的宇宙年齡。例如,一個質量相當於太陽的黑洞需要2×10^67年才能蒸發,而宇宙的年齡只有13.8×10^9年(因此,黑洞蒸發所需的時間將是當前宇宙年齡的10^57倍以上!)

黑洞蒸發時間

質量M黑洞蒸發時間的公式是:

由於時間與質量的立方成正比,一個質量比它大10倍的黑洞蒸發的時間要長1000倍,質量比它小10倍的黑洞蒸發的時間是它的1/1000。如果有一個質量足夠小的黑洞,它將在短時間內蒸發。例如,質量為2.2×10^5kg的黑洞將在1秒左右蒸發!這大約是藍鯨的質量——但是“藍鯨”黑洞的直徑只有6×10^(-22)米,大約是質子直徑的百萬分之一。相比之下,太陽質量黑洞的直徑為6000米,地球質量黑洞的直徑為1.7釐米。

人們認為,超新星爆炸產生的天體物理黑洞的最小質量將是幾個太陽質量。一個質量約為1個太陽質量的黑洞將在大約2×10^66年內蒸發。

黑洞溫度

黑洞蒸發的原因是它們的溫度,由以下公式給出:

所有有溫度的物體都會發出輻射。注意,隨著質量的降低,溫度會升高!對於一個單太陽質量黑洞,這個公式給出的溫度只有60納米開爾文(600億分之一開爾文),這是非常冷的,但不完全在絕對零度。在60納米開爾文的太陽質量黑洞將主要發射無線電波的頻率約為1800週期/秒(遠遠低於AM無線波段),其波長約為160公里。

現在,宇宙微波背景輻射的溫度是2.7開爾文。一個質量等於月球的黑洞的溫度大約為2.7開爾文。這意味著,質量大於月球質量的黑洞實際上會在我們當前的宇宙中獲得質量,因為它們的溫度將低於宇宙微波背景(CMB)溫度,因此它們從正在捕獲的CMB光子中獲得的能量將大於它們在霍金輻射中輻射的能量。但CMB的溫度將隨著時間的推移而持續下降,接近0 K,因此最終所有黑洞都將蒸發。

黑洞的最後一秒

前面提到的黑洞只持續1秒(質量為“藍鯨”)將在5.6×10^17K的溫度下開始最後一秒,在它生命的最後一秒,它發射的所有輻射的總能量將是500萬噸TNT!這一能量大約是地球上所有國家核武庫總量的1000倍,是一天內撞擊地球表面的太陽能總量的1.4倍。現在,如果黑洞的質量是原來的兩倍大,蒸發需要8秒(因為它增加了3米),而且它所釋放的總能量將是原來的兩倍。所以總能量的一半在最後一秒釋放,另一半在前7秒釋放。

因此,黑洞每單位時間發射的能量呈指數增長——但對於典型的天體物理黑洞來說,它的初始值非常小,以至於它們“幾乎”要永遠爆炸!很明顯,在黑洞蒸發的最後階段,它們的行為就像非常熱的物體發出大量輻射,最終在生命的最後階段爆炸。請注意,所有的黑洞都以同樣的方式結束他們的生命,以同樣的爆炸方式結束。它們的初始質量只是改變蒸發和爆炸所需的時間。

在霍金1974年發表的題為“黑洞爆炸?”,他說:

“……在黑洞壽命接近尾聲時,其發射率將非常高,在最後0.1s內將釋放約10^30個erg。按照天文標準,這是一次相當小的爆炸,但相當於大約100萬顆100萬噸的氫彈。”

霍金輻射中發射的是什麼?

在黑洞生命的大部分時間裡,它主要會發射非常長波長(冷)光子(換句話說,低頻無線電波)。

中微子有一個非零的靜止質量,因此隨著溫度的升高(隨著黑洞的縮小),在某個點上,黑洞除了光子之外,還可能開始發射中微子。我們認為中微子的質量是1eV的一部分,所以當黑洞的溫度上升到116000K以上時,它就會開始發射中微子。在這一點上,黑洞將變成“白色”,因為它將發射光譜可見範圍內的光子,就像我們的太陽一樣。當黑洞的質量相當於地球質量的百萬分之一或50萬億(10^12)“藍鯨”時,中微子的發射就會開始。這種發射可見光和中微子的機制將在黑洞離爆炸還有10^23倍於當前宇宙年齡時開始。這個質量的黑洞只有細胞膜的厚度那麼大。所以它會很小很熱很長一段時間!

同樣,當黑洞的溫度達到100億開爾文(10^10K)時,電子和正電子也會被髮射出來。在這一點上,黑洞也將發射非常高能的伽馬射線以及電子、正電子和中微子。當黑洞縮小到大約5600萬“藍鯨”時,這一切就開始了,它離最終爆炸的距離仍將是目前宇宙年齡的40萬倍。

隨著溫度越來越高,黑洞會發射出更多種類的粒子和反粒子——基本上,如果黑洞的溫度足夠高,足以產生這些粒子,它就會。黑洞生命週期的最後幾微秒或納秒的細節將取決於量子引力的細節——我們目前還沒有量子引力理論能夠計算出這些細節。

原始黑洞?

然而,我們目前還沒有任何證據表明,在我們的宇宙中黑洞的質量小於太陽質量。從理論上講,大爆炸時可能會產生更小的(原始的)黑洞。如果它們在合適的質量範圍內,可能在138億年後的今天爆炸。天文學家一直在尋找這種爆炸,但沒有成功。為了讓黑洞爆炸,它在大爆炸時的質量必須是大約與760000頭“藍鯨”相當。相比之下,太陽質量黑洞與10^25頭“藍鯨”相當。

目前還沒有已知的天體物理過程能在我們的宇宙中產生質量遠小於幾個太陽質量的黑洞。今天能產生的最小黑洞是由恆星超新星爆炸的殘餘物形成的。問題是,對於較小的恆星,超新星爆炸的殘餘物最終會成為白矮星或中子星。只有更大恆星的超新星爆發才會產生比幾個太陽質量還重的殘餘。超過幾個太陽質量的殘餘物不會在白矮星或中子星階段停止,而是繼續坍縮成為黑洞。

黑洞蒸發的時間演化與功率輸出

以下列表顯示:

  • 黑洞蒸發和爆炸所需的時間。
  • 在該時間段開始時輸出的瞬時功率。
  • 都是黑洞質量的函數。

這個表使用我們方便的“藍鯨”質量單位(2.2×10^5kg)來表示黑洞的質量。功率單位是指太陽每秒傳送到地球表面的總能量。

因此,一個質量為100頭藍鯨的黑洞將在大約12天內爆炸,在這12天的開始,它將和地球一樣“明亮”,如果它是完全白色的,並反射太陽的所有光線。請注意,與典型的恆星相比,這不是很亮!事實上,在黑洞生命的最後一秒所釋放出的總能量僅為同一秒太陽總能量輸出的2萬分之一。然而,太陽的能量主要以可見光光子的形式釋放,而黑洞的大部分能量將來自非常、非常高能的伽馬射線和各種類型的粒子。

事實上,在任何黑洞生命的最後一個“當前宇宙年齡”階段,由於在其生命的最後138億年中其溫度大於10^11k,它將主要發射高能伽馬射線。因此,當費米伽馬射線太空望遠鏡指向一個原始黑洞時,如果它碰巧在附近的某個地方蒸發,衛星也許能夠探測到爆炸的伽馬射線特徵。這是費米的設計目標之一——然而,到目前為止還沒有看到黑洞伽馬射線爆炸。

有人擔心大型強子對撞機可能會產生微觀黑洞。不幸的是,要想精確計算任何關於黑洞大小的東西,我們需要量子引力理論。在“正常”弦理論中,最小的黑洞的質量大約為普朗克質量(普朗克質量可以持續幾次),但大型強子對撞機的能量是14個數量級,太小,無法達到這個能量,所以“正常”弦理論會說,大型強子對撞機永遠不會產生黑洞。

然而,也有一些推測性的弦理論,在這些理論中,大型強子對撞機可能能夠製造出一個黑洞。然而,這些黑洞也幾乎會立即蒸發(在非常非常小的一秒鐘內),爆炸時產生的能量與製造它們的能量完全相同,因此對大型強子對撞機探測器來說,它看起來與任何其他大型強子對撞機類似。黑洞“爆炸”最顯著的特徵是產生的粒子是以球對稱分佈產生的。到目前為止,大型強子對撞機上還沒有發生過此類事件。

人們擔心,大型強子對撞機可能創造的微觀黑洞可能吞噬了地球,這是完全錯誤的,因為它們會蒸發得如此之快。事實上,有實驗證據表明,這些黑洞不可能吞噬地球,因為地球還沒有被吞噬!原因是宇宙射線的能量可以比大型強子對撞機的能量高出許多個數量級,所以在過去的45億年中,這些類型的黑洞會經常被製造出來——然而我們仍然在這裡!


科技領航人


黑洞是大質量天體演化到晚期時形成的一種天體。

關於黑洞,我們所知道的還很少,目前從觀測上已經證實存在這種天體,但是更多的瞭解還只限於理論上。由於宇宙中物質的形態和演化都是建立在引力基礎上的,所以,我們可以通過對其他天體的研究,來推斷出黑洞的物理性質。當然,理論也是有侷限性的,有些領域已經超出了已知的物理理論範疇,所以,物理也不是全能的。

關於黑洞的演化和未來,目前比較被認可的是霍金的關於黑洞輻射的理論,根據這個理論,黑洞不會永遠存在下去,而是會慢慢的蒸發掉。

霍金證明,在黑洞的事件視界附近,隧道效應會使得黑洞損失質量,雖然很微小,但是卻不會停下來。同時霍金還證明黑洞是有溫度的,越是大質量的黑洞,其溫度越低,蒸發的速度也越慢,反之則越長。根據計算,一個太陽質量的黑洞,要經過10^66年才可以蒸發完。

因此黑洞的蒸發過程是一個非常緩慢的過程,要遠遠長於今天宇宙的壽命。

但,如果宇宙是開放的,那麼該來的早晚會來的。黑洞不會默默無聞的蒸發掉,隨著質量的損失,黑洞的蒸發速度會越來愈快。當低於一定的質量下限後,黑洞可能會如同恆星爆炸一般,瞬間蒸發成基本粒子。

因此,黑洞在漫長的時間之後,最終的結局就是所有組成物質重新成為基本粒子而瀰漫在宇宙空間中。


寒蕭99


個人觀點,黑洞總有一天要重生,爆炸形成一顆超大質量恆星!只有這樣才符合能量守恆與物質不滅定律;只有這樣才能符合中國先哲陰陽永無休止的相互轉化的哲學定理!任何物質形態都不可能是最終形態,物質永遠在不同形態之間相互轉化,只有這樣宇宙才能夠永恆,也只因為是這樣宇宙才所以永恆!


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