黑洞奇點的密度無限大,奇點到底由什麼元素組成?
準確來說,關於黑洞的問題表述並不甚精確。
黑洞中心的無窮密度,僅是針對奇點而言。
人們口中的黑洞,通常指的是它的史瓦西半徑。
雖然黑洞中心的奇點體積極小,但史瓦西半徑並不爲零。
該半徑與黑洞的質量成正比關係,質量愈大,相應的史瓦西半徑也就愈大。
其數學公式可表述爲:
其中,R 代表史瓦西半徑,G 是引力常數(6.67x10^-11N·m²/kg²),M 代表質量,C 是光的速度。
但黑洞的質量確實全部集中於奇點上。
奇點小到難以想象,細微至無法辨識的地步。哪怕一個黑洞的質量僅1千克,其密度也趨於無限大,因爲一個無限小體積內的密度是無法衡量的。
物質的體積如此之小,以致於我們所知的任何元素都不復存在。
一切物質皆由原子構成,元素也不例外。
然而,人類所能理解的最小尺度是普朗克長度,即 1.6×10的負35次方 米。電子直徑約10的負15次方米,普朗克長度較之更小了20個數量級。
在量子的微觀世界裡,小於普朗克長度的尺度是沒有實際意義的。
然而,奇點的體積卻遠比這還要小,小到無法想象的地步。
而黑洞的全部質量都集中於這微小的奇點中,任何現有的理論都難以解釋這種現象。
即便是白矮星,它的組成也不是我們所知的普通元素。
例如,我們的太陽最終會演變成一顆白矮星。質量在太陽質量0.5至8倍之間的恆星,其生命終結會成爲白矮星。
白矮星的內部密度極高,原子被徹底壓縮。電子不再圍繞原子核自由旋轉,而成爲自由電子,但它們依然保持着原子的結構。它們通過電子簡併壓來抗衡引力,因此也被稱爲電子簡併態物質。
電子簡併是指什麼?根據泡利不相容原理,在費米子構成的系統中,兩個或多個粒子不能處於完全相同的量子態。
這樣的情形下,電子之間形成了相互排斥的壓力,防止了白矮星的進一步坍縮。
白矮星的密度大約爲每立方厘米1至10噸,遠超我們所知的任何元素的密度。
如此密度極高的行星,其引力場非常強大,足以將普通的天體撕裂。
白矮星會不斷吞噬其周圍的物質,即吸積物。當其質量達到太陽的1.44倍時,即達到錢德拉塞卡極限,電子簡併壓力將無法抵抗白矮星的引力坍縮,從而可能引發超新星爆炸。
白矮星的坍縮可能導致其轉變爲中子星。
因此,錢德拉塞卡極限不僅是白矮星的質量上限,也是中子星質量的下限。
在中子星中,強大的壓力將電子推進原子核,與質子結合成爲中子,形成了一個巨大的超中子核。
中子星的體積很小,儘管它的質量超過太陽,但其半徑只有大約10公里,因此其物質更爲緻密,密度大約爲每立方厘米10億噸。
中子星依靠中子之間的簡併壓來平衡引力,但還有一個被稱爲奧本海默極限的限制,即當超過大約3個太陽質量時,中子星會繼續坍縮,形成黑洞。
大質量恆星在超新星爆炸後,可能直接形成中子星,甚至可能是黑洞。
一般來說,超過太陽質量8倍的恆星超新星爆炸後,會留下中子星;質量爲太陽30至40倍的恆星爆炸後則可能留下黑洞。
中子星的質量通常不超過太陽質量的3倍,而質量爲太陽40倍的恆星通常會形成一個質量約爲太陽質量4倍的黑洞。
大質量恆星在走向滅亡的過程中,通常會從氫核聚變開始,經過一系列的核聚變過程,直到達到鐵元素,此時核聚變無法繼續,並在超新星爆發前,其核心會變爲一個鐵核。
鐵由於是自然界中最穩定的元素,無論是核裂變還是核聚變,都不會釋放能量,反而會吸收能量。
這樣,大質量恆星的核心核聚變便無法再進行下去。
恆星的穩定性取決於中心核聚變所產生的輻射壓力與質量引起的引力壓力之間的平衡。沒有了核聚變輻射壓力,恆星的引力壓力會促使物質迅速坍縮到核心,導致核心和熱核心的崩潰。由此引發了巨大的能量爆發。
這就是我們所說的超新星爆炸。爆炸過後,可能形成中子星或黑洞。
超新星爆炸所釋放的能量極爲巨大,一次爆炸至少相當於太陽在其整個100億年生命週期內所輻射能量的總和。
在爆炸瞬間,溫度可高達10億至1000億度。
在這樣巨大的能量、高溫、高壓環境下,任何物質都有可能產生,鐵核也會在瞬間融合成更重的元素。
在宇宙早期,僅有氫、氦等元素存在。恆星的核聚變和超新星爆炸逐漸形成了我們今天所見的豐富元素世界。
目前已知的元素有118種,其中最重的元素都是通過核聚變和超新星爆炸產生的。
已知元素中,金屬鋨的密度最高,爲22.8克每立方厘米。
相比之下,白矮星的物質密度約爲每立方厘米10噸,中子星的物質密度更是高達每立方厘米10億噸!
普通元素的密度與白矮星和中子星的密度完全不在一個數量級上!
在科幻小說《三體》中所描述的水滴,其密度就如同一顆中子星,光滑至原子級別的結構都無法在其表面造成隆起。
儘管我們尚無法直接觀測到這種物質,但它仍然在我們的理論模型之內。
而關於黑洞奇點的性質,已經超出了我們對物質結構的理解,甚至可能不屬於我們這個宇宙的範疇。
黑洞中心奇點究竟由何種物質構成,這個問題背後可能隱藏着宇宙的終極秘密!