黑洞奇点的密度无限大,奇点到底由什么元素组成?
准确来说,关于黑洞的问题表述并不甚精确。
黑洞中心的无穷密度,仅是针对奇点而言。
人们口中的黑洞,通常指的是它的史瓦西半径。
虽然黑洞中心的奇点体积极小,但史瓦西半径并不为零。
该半径与黑洞的质量成正比关系,质量愈大,相应的史瓦西半径也就愈大。
其数学公式可表述为:
其中,R 代表史瓦西半径,G 是引力常数(6.67x10^-11N·m²/kg²),M 代表质量,C 是光的速度。
但黑洞的质量确实全部集中于奇点上。
奇点小到难以想象,细微至无法辨识的地步。哪怕一个黑洞的质量仅1千克,其密度也趋于无限大,因为一个无限小体积内的密度是无法衡量的。
物质的体积如此之小,以致于我们所知的任何元素都不复存在。
一切物质皆由原子构成,元素也不例外。
然而,人类所能理解的最小尺度是普朗克长度,即 1.6×10的负35次方 米。电子直径约10的负15次方米,普朗克长度较之更小了20个数量级。
在量子的微观世界里,小于普朗克长度的尺度是没有实际意义的。
然而,奇点的体积却远比这还要小,小到无法想象的地步。
而黑洞的全部质量都集中于这微小的奇点中,任何现有的理论都难以解释这种现象。
即便是白矮星,它的组成也不是我们所知的普通元素。
例如,我们的太阳最终会演变成一颗白矮星。质量在太阳质量0.5至8倍之间的恒星,其生命终结会成为白矮星。
白矮星的内部密度极高,原子被彻底压缩。电子不再围绕原子核自由旋转,而成为自由电子,但它们依然保持着原子的结构。它们通过电子简并压来抗衡引力,因此也被称为电子简并态物质。
电子简并是指什么?根据泡利不相容原理,在费米子构成的系统中,两个或多个粒子不能处于完全相同的量子态。
这样的情形下,电子之间形成了相互排斥的压力,防止了白矮星的进一步坍缩。
白矮星的密度大约为每立方厘米1至10吨,远超我们所知的任何元素的密度。
如此密度极高的行星,其引力场非常强大,足以将普通的天体撕裂。
白矮星会不断吞噬其周围的物质,即吸积物。当其质量达到太阳的1.44倍时,即达到钱德拉塞卡极限,电子简并压力将无法抵抗白矮星的引力坍缩,从而可能引发超新星爆炸。
白矮星的坍缩可能导致其转变为中子星。
因此,钱德拉塞卡极限不仅是白矮星的质量上限,也是中子星质量的下限。
在中子星中,强大的压力将电子推进原子核,与质子结合成为中子,形成了一个巨大的超中子核。
中子星的体积很小,尽管它的质量超过太阳,但其半径只有大约10公里,因此其物质更为致密,密度大约为每立方厘米10亿吨。
中子星依靠中子之间的简并压来平衡引力,但还有一个被称为奥本海默极限的限制,即当超过大约3个太阳质量时,中子星会继续坍缩,形成黑洞。
大质量恒星在超新星爆炸后,可能直接形成中子星,甚至可能是黑洞。
一般来说,超过太阳质量8倍的恒星超新星爆炸后,会留下中子星;质量为太阳30至40倍的恒星爆炸后则可能留下黑洞。
中子星的质量通常不超过太阳质量的3倍,而质量为太阳40倍的恒星通常会形成一个质量约为太阳质量4倍的黑洞。
大质量恒星在走向灭亡的过程中,通常会从氢核聚变开始,经过一系列的核聚变过程,直到达到铁元素,此时核聚变无法继续,并在超新星爆发前,其核心会变为一个铁核。
铁由于是自然界中最稳定的元素,无论是核裂变还是核聚变,都不会释放能量,反而会吸收能量。
这样,大质量恒星的核心核聚变便无法再进行下去。
恒星的稳定性取决于中心核聚变所产生的辐射压力与质量引起的引力压力之间的平衡。没有了核聚变辐射压力,恒星的引力压力会促使物质迅速坍缩到核心,导致核心和热核心的崩溃。由此引发了巨大的能量爆发。
这就是我们所说的超新星爆炸。爆炸过后,可能形成中子星或黑洞。
超新星爆炸所释放的能量极为巨大,一次爆炸至少相当于太阳在其整个100亿年生命周期内所辐射能量的总和。
在爆炸瞬间,温度可高达10亿至1000亿度。
在这样巨大的能量、高温、高压环境下,任何物质都有可能产生,铁核也会在瞬间融合成更重的元素。
在宇宙早期,仅有氢、氦等元素存在。恒星的核聚变和超新星爆炸逐渐形成了我们今天所见的丰富元素世界。
目前已知的元素有118种,其中最重的元素都是通过核聚变和超新星爆炸产生的。
已知元素中,金属锇的密度最高,为22.8克每立方厘米。
相比之下,白矮星的物质密度约为每立方厘米10吨,中子星的物质密度更是高达每立方厘米10亿吨!
普通元素的密度与白矮星和中子星的密度完全不在一个数量级上!
在科幻小说《三体》中所描述的水滴,其密度就如同一颗中子星,光滑至原子级别的结构都无法在其表面造成隆起。
尽管我们尚无法直接观测到这种物质,但它仍然在我们的理论模型之内。
而关于黑洞奇点的性质,已经超出了我们对物质结构的理解,甚至可能不属于我们这个宇宙的范畴。
黑洞中心奇点究竟由何种物质构成,这个问题背后可能隐藏着宇宙的终极秘密!