黑洞也许会爆炸,但与你想象的样子完全不同

黑洞的爆炸或者可以说是以蒸发形式开始的,黑洞的蒸发由霍金提出,并且该蒸发是以粒子的形式辐射逃逸出去,因此可称为霍金辐射。黑洞的蒸发过程是极为漫长的,一般都是10的几十次方年。这样的时间已经远远大于宇宙的年龄,因此至今未有观测到过。

黑洞是一个我们完全无法看见的一种奇异天体的残骸,这里的“无法看见”并不是我们常常认为的肉眼看不见,而是任何光波段都无法探测到。因为就连光子也无法逃脱它的“魔掌”,类似于热力学上完全不反射光线的黑体。

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严格地讲,黑洞是一片时空的区域而不是一种天体,它会表现出非常强烈的引力效应,改变周围的时空,这样的结果是任何粒子和电磁辐射,例如光子,都无法从黑洞中“挣脱”出来。广义相对论理论预言,如果质量达到一定的致密程度,那么它的强大引力就可以导致时空的弯曲,从而形成不可以逃脱的区域边界,这样的边界被称为事件视界。换句话说,这里是信息的终点,你无法将信息传达出去,我们也无法在外界知晓你的任何在黑洞内的信息。

黑洞的爆炸形式是以蒸发开始的,下文我们简单介绍下什么是黑洞蒸发(霍金辐射)。

黑洞也许会爆炸,但与你想象的样子完全不同


质量达太阳10倍的黑洞之计算机模拟图。图:Ute Kraus

黑洞蒸发(霍金辐射)

霍金辐射也是一种黑体辐射,由于事件视界附近的量子效应,黑洞会释放这种辐射。它以物理学家斯蒂芬·霍金的名字命名,霍金在1974年为它的存在提供了一种理论的论证。

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霍金辐射会降低黑洞的质量和能量,因此也被称为黑洞蒸发。所以,理论上预计黑洞不会通过其他方式来增加其质量,而是会慢慢的缩小并最终消失。据预测,微型黑洞比大型黑洞具有更大的辐射源,并且收缩和蒸散应该更快。

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2008年6月,美国国家航空航天局(NASA)发射了费米太空望远镜,该望远镜正在寻找原始黑洞蒸发后产生的伽马射线晚期的闪光。 如果推测的额外维数理论是正确的,那么欧洲核子研究中心的大型强子对撞机可能会产生微型黑洞并且可以观测到它们的蒸发过程。 但是很遗憾的是在欧洲核子研究中心并没有观测到这样的微型黑洞。

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CMS探测器中的模拟事件,一种碰撞,其中可能产生微黑洞。图:Lucas Taylor / CERN

2010年9月,据称在涉及光学光脉冲的实验室实验中观察到了与黑洞中的霍金辐射密切相关的信号(可另参见模拟重力)。 然而,结果仍未得到证实,一直争论不休。不过科学家们已经启动了其他项目,以在模拟引力的框架内寻找这种辐射。

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黑洞(中)在大麦哲伦星云前面的模拟图。请注意引力透镜的影响,产生了放大的,但高度扭曲的星云的两个影像。在顶部的银河系盘面扭曲成一个弧形。图:Alain r

黑洞的蒸发

当粒子逃逸时,黑洞会损失少量的能量,从而损失一些质量(质量和能量与爱因斯坦方程E=mc2相关联)。

1976年佩奇的数值分析

1976年,唐·佩奇_(物理学家)计算了质量为M的非自旋、不带电荷的史瓦西黑洞所产生的能量和蒸发时间。 由于黑洞的大小是有限的,因此并不是一个完美的黑体,所以计算起来很是复杂; 当频率降低时,吸收截面(Absorption cross section)以复杂的,自旋相关的方式下降,特别是当波长变得与事件视界的大小相当时,会尤其的突出。 这里值得注意的是,佩奇在1976年写文章时错误地假设中微子没有质量,并且只有两种中微子味 (Flavour)存在,因此错误地计算了黑洞的寿命。

对于大于10的17次方克质量的黑洞,佩奇推导出其电子辐射可以忽略不计,质量为M的黑洞会以克为单位通过无质量电子和μ子中微子,光子和引力子在时间τ中被蒸发掉。公式如下:

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对于远小于10的17 次方克但远大于5×10的14次方克质量的黑洞,超相对论电子和正电子的辐射将加速黑洞的蒸发,从而会延长黑洞的寿命。公式如下:

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如果黑洞在霍金辐射下蒸发,一个太阳质量般大小的黑洞将会在10的64次方年内蒸发完(请注意10后面跟随64个0)。 10的11次方个(1000亿)太阳质量的超大质量黑洞将在2×10的100次方年左右蒸发掉。预计宇宙中的一些奇异黑洞会在星系超星系团崩溃期间继续增长到10的14次方个太阳质量。 因此这些黑洞甚至也会在长达10的106次方年的时间内被蒸发掉。

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