根據現有的理論,黑洞可以基本確認是存在的;而夸克星是一種新的理論模型,可用於解釋一些觀測到的天文現象,但還需要透過進一步的理論研究來進行考察。
首先我們要明白幾個概念:什麼是黑洞和夸克星,他們又是如何形成的。
黑洞:黑洞是現代廣義相對論中,宇宙空間記憶體在的一種天體。黑洞的引力很大,使得視界內的逃逸速度大於光速。
夸克星:恆星死亡時會在自身重力的影響下發生坍縮,若其質量為中等,即約比太陽的質量多1.44倍,重力就足夠將恆星物質中的電子和質子擠壓到一起形成中子星;若該恆星質量更大,中子可能破碎成自身的組成成分,即夸克。在一定的壓力下半數由中子分離而成的夸克能夠轉化為奇夸克,產生一種更加緻密的物質型別。這時的星體就是由奇夸克緊密結合在一起所構成的“夸克星”。夸克星主要是理論上的產物,科學家偵測到兩個之前被認為是中子星奇怪的天體。而基於已知的物理原理,第一個天體看起來比正常的中子星小很多,而第二個則比正常的中子星溫度更低,因此認為它們是由密度比0號元素(中子)更高的物質組成。但是,這些觀察和結論是否正確還有待研究,有人認為這些研究人員的結論不具有決定性的結果。
下面我們透過講述恆星的一生來說明黑洞和夸克星(若存在)的形成:
恆星的誕生
萬有引力告訴我們,引力會使物質相互吸引,集中在一起。宇宙中的氣體雲正是如此,他們坍縮,加速向中心墜落,當物質的線度收縮了幾個數量級後,情況就不同了。一方面,氣體的密度有了劇烈的增加;另一方面,氣體坍縮失去了一部分的引力位能,這部分位能轉化為了熱能,使氣體溫度也有了很大的增加(換個說法就是氣體體積縮小,溫度升高)。由於氣體的壓力正比於它的密度與溫度的乘積,因而在塌縮過程中,壓力增長更快。這樣,在氣體內部很快形成一個足以與自引力相抗衡的壓力場,這壓力場最後制止引力塌縮,從而建立起一個新的力學平衡位形,稱之為星坯。
星坯的力學平衡是靠內部壓力與自引力相抗衡。然而恆星內部卻存在壓力梯度(中心密度大,壓力大),壓力梯度的存在依賴於內部溫度的不均勻性(即星坯中心的溫度要高於外圍的溫度),因此在熱學上,這是一個不平衡的系統,熱量將從中心逐漸地向外流出。這一熱學上趨向平衡的自然傾向對力學平衡起著削弱的作用。於是星坯必須緩慢的收縮,以其引力位能的降低來升高溫度,從而來恢復力學平衡;同時也是以引力位能的降低,來提供星坯輻射所需的能量。這就是星坯演化的主要物理機制。
主序星階段
如此下去在一定的條件下,大塊氣雲收縮為一個凝聚體成為原恆星,原恆星吸附周圍氣雲後繼續收縮,表面溫度不變,中心溫度不斷升高,引起溫度、密度和氣體成分的各種核反應。產生熱能使氣溫升的極高,氣體壓力抵抗引力使原恆星穩定下來成為恆星,恆星的成份大部分是H和He,當溫度達到104K以上,即粒子的平均熱動能達1eV以上,氫原子透過熱碰撞就充分的電離了(分子結構被破壞,原子失去或得到電子形成離子),在溫度進一步升高後,等離子氣體中氫核與氫核的碰撞就可能引起核反應。等H穩定地燃燒為He時,恆星就成了主序星。人們發現有百分之八十至九十的恆星都是主序星,他們共同特徵是核心區都有氫正在燃燒。
主序後的演化由於恆星形成是它的主要成份是氫,而氫的點火溫度又比其他元素都低,所以恆星演化的第一階段總是氫的燃燒階段,即主序階段。在主序階段,恆星內部維持著穩衡的壓力分佈和表面溫度分佈,所以在整個漫長的階段,它的光度和表面溫度都只有很小的變化。
紅巨星
當恆星在燃燒盡星核區的氫之後,核心就會熄火,這時核心區主要是氦,它是燃燒的產物,外圍區的物質主要是未經燃燒的氫,核心熄火後恆星失去了輻射的能源,它便要引力收縮是一個起關鍵作用的因素。一個核燃燒階段的結束,表明恆星內各處溫度都已低於在該處引起點火所需要的溫度,引力收縮將使恆星內各處的溫度升高,這實際上是尋找下一次核點火所需要的溫度,引力收縮將使恆星內各處的溫度全面的升高,主序後的引力收縮首先點著的不是核心區的氦(它的點火溫度高的太多),而是核心與外圍之間的氫殼,氫殼點火後,核心區處於高溫狀態,而仍沒核能源,它將繼續收縮。這時,由於核心區釋放的引力位能和燃燒中的氫所釋放的核能,都需要透過外圍不燃燒的氫層必須劇烈地膨脹,即讓介質輻射變得更透明,來排出多餘的熱能來維持熱平衡。而氫層膨脹又使恆星的表面溫度降低了,所以這是一個光度增加、半徑增加、而表面變冷的過程,這個過程是恆星從主星序向紅巨星過渡,過程進行到一定程度,氫區中心的溫度將達到氦點火的溫度,於是又過渡到一個新階段--氦燃燒階段。
在恆星中心發生氦點火前,引力收縮以使它的密度達到了103g. cm-3的量級,這時氣體的壓力對溫度的依賴很弱,那麼核反應釋放的能量將使溫度升高,而溫度升高反過來又加劇核反應速率,於是一旦點火,很快就會燃燒的十分劇烈,以至於爆炸,這種方式的點火稱為“氦閃光”,因此在現象上會看到恆星光度突然上升到很大,後來又降的很低。
另一方面,當引力收縮時它的密度達不到103g. cm-3量級,此時氣體的壓力正比於溫度,點火溫度升高導致壓力升高,核燃燒區就會有所膨脹,而膨脹導致溫度降低,因此燃燒就能穩定的進行,所以這兩種點火情況對演化程序的影響是不同的。
恆星在發生“氦閃光”之後又怎麼演變呢?閃光使大量能量的釋放很可能把恆星外層的氫氣都吹走,剩下的是氦的核心區。氦核心區因膨脹而減小了密度,以後氦就有可能在其中正常的燃燒了。氦燃燒的產物是碳,在氦熄火後恆星將有一個碳核心區氦外殼。
這時如果恆星質量過小,引力收縮已不能達到碳的點火溫度,於是它就結束了以氦燃燒的演化,而走向熱死亡。
如果恆星質量仍然足夠大,類似氦燃燒,核心會依次透過氫、氦、碳、氧、氖、矽的核聚變來維持力學平衡。然而當最後核心出現鐵時,力學平衡就會被打破,因為鐵的核聚變會吸收而不是放出熱量,這就導致恆星的物質繼續向中心坍縮。這時恆星的歸宿有以下幾種。
恆星的歸宿
質量很小的恆星:由於質量小,物體內部的自引力並不重要,固體內部的平衡是正負離子間的淨庫侖引力與電子間的壓力來達到平衡的。這就是白矮星。
質量較大的恆星:此時引力不可忽略,加大了恆星內部的密度和壓力,壓力的加大使物質發生壓力電離,從而逐漸使固體的電約束瓦解,而過渡為等離子氣體。之後負離子體中的原子核變為富中子核,原子核中出現過多的中子,導致核結構鬆散,當密度超過4×1011g. cm-3時,中子開始從原子核中分離出來,成為自由中子,引力與中子的簡併壓力達到平衡,這就是中子星。
質量更大的星體:如果超新星中誕生的這顆中子星質量太大,中子簡併壓無法抵擋向內的引力,在這種情況下,中子結構被破壞,變為更基本的粒子夸克。夸克會挺身而出取代中子,透過夸克間的簡併壓力防止天體進一步坍縮。當夸克簡併壓和引力間達到平衡之後,一顆夸克星就此誕生。這時自由的上夸克和下夸克就會轉變成奇夸克。因此,夸克星其實是由奇夸克物質所組成的,也正是因為如此它們還被稱為奇異星。
質量更更大的恆星:如果當恆星的質量足夠大,形成中子星後,連夸克間的簡併壓力都不能抵禦物質自引力時,物質會無限的向中間坍縮,形成黑洞。
從恆星的演化可以看出來,夸克星相當於是中子星和黑洞之間存在的一個“灰色地帶”,當恆星末期的質量超過中子星時,會先演化為夸克星,如果夸克星的簡併夸克壓力還不足以和引力達到平衡時,恆星物質繼續向中心坍縮才會形成黑洞。
一個有趣的問題是,給最大質量的夸克星再新增一點物質的話會發生什麼?在它坍縮成黑洞前是否還存在一個超越於夸克星之外的狀態?(比如“超夸克星”)
這時有人會問了,如果“超夸克星”也存在,那後面會不會還有“超超夸克星”、“超超超夸克星”等等,這樣黑洞豈不就是不存在了麼?
很多人對黑洞其實有誤解,認為黑洞裡的物質會無限向中心坍縮。然而事實上科學界對黑洞的定義是:黑洞視界內的逃逸速度大於光速。
我們知道宇宙中最快的速度是光速,因此如果一個天體的逃逸速度大於光速,那麼天體發出的光也只會折反回來。比如,假設地球被壓縮為一個不到5毫米大小的圓球,此時這個圓球就是黑洞。如果這個不到5毫米大小的圓球,內部有某種壓力(比如超夸克之間的簡併壓力)與引力達到平衡,那麼它就是一顆超夸克星,同時也是一顆黑洞。
夸克星的定義是天體內部物質的壓力透過夸克簡併壓力實現平衡,而黑洞的定義是天體的逃逸速度超過光速。兩者是從不同緯度對天體進行的定義,不存在有我沒它的情況。因此:
黑洞和夸克星不是互相矛盾的,他們的定義不同,可以同時存在。發現夸克星並不代表不存在黑洞。
另:黑洞也不是霍金先發現或者提出的。
黑洞的理論發現:1916年,德國天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild,1873~1916年)透過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解,這個解表明,如果將大量物質集中於空間一點,其周圍會產生奇異的現象,即在質點周圍存在一個介面——“視界”一旦進入這個介面,即使光也無法逃脫.這種“不可思議的天體”被美國物理學家約翰·阿奇巴德·惠勒(John Archibald Wheeler)命名為“黑洞”。
黑洞的觀測發現:1970年,美國的“自由”號人造衛星發現了與其他射線源不同的天鵝座X-1,位於天鵝座X-1上的是一個比太陽重30多倍的巨大藍色星球,該星球被一個重約10個太陽的看不見的物體牽引著。天文學家一致認為這個物體就是黑洞,它就是人類發現的第一個黑洞。
最終結論:根據目前的理論,宇宙中基本確認存在"黑洞",“夸克星”則是可能存在,所謂的“黑洞”和“夸克星”的定義角度不同,可以同時存在,他們可能相同,也可能不同;黑洞不是霍金髮現的,更不存在愚弄大眾的可能。
請題主不要聽風就是雨。
根據現有的理論,黑洞可以基本確認是存在的;而夸克星是一種新的理論模型,可用於解釋一些觀測到的天文現象,但還需要透過進一步的理論研究來進行考察。
首先我們要明白幾個概念:什麼是黑洞和夸克星,他們又是如何形成的。
黑洞:黑洞是現代廣義相對論中,宇宙空間記憶體在的一種天體。黑洞的引力很大,使得視界內的逃逸速度大於光速。
夸克星:恆星死亡時會在自身重力的影響下發生坍縮,若其質量為中等,即約比太陽的質量多1.44倍,重力就足夠將恆星物質中的電子和質子擠壓到一起形成中子星;若該恆星質量更大,中子可能破碎成自身的組成成分,即夸克。在一定的壓力下半數由中子分離而成的夸克能夠轉化為奇夸克,產生一種更加緻密的物質型別。這時的星體就是由奇夸克緊密結合在一起所構成的“夸克星”。夸克星主要是理論上的產物,科學家偵測到兩個之前被認為是中子星奇怪的天體。而基於已知的物理原理,第一個天體看起來比正常的中子星小很多,而第二個則比正常的中子星溫度更低,因此認為它們是由密度比0號元素(中子)更高的物質組成。但是,這些觀察和結論是否正確還有待研究,有人認為這些研究人員的結論不具有決定性的結果。
下面我們透過講述恆星的一生來說明黑洞和夸克星(若存在)的形成:
恆星的誕生
萬有引力告訴我們,引力會使物質相互吸引,集中在一起。宇宙中的氣體雲正是如此,他們坍縮,加速向中心墜落,當物質的線度收縮了幾個數量級後,情況就不同了。一方面,氣體的密度有了劇烈的增加;另一方面,氣體坍縮失去了一部分的引力位能,這部分位能轉化為了熱能,使氣體溫度也有了很大的增加(換個說法就是氣體體積縮小,溫度升高)。由於氣體的壓力正比於它的密度與溫度的乘積,因而在塌縮過程中,壓力增長更快。這樣,在氣體內部很快形成一個足以與自引力相抗衡的壓力場,這壓力場最後制止引力塌縮,從而建立起一個新的力學平衡位形,稱之為星坯。
星坯的力學平衡是靠內部壓力與自引力相抗衡。然而恆星內部卻存在壓力梯度(中心密度大,壓力大),壓力梯度的存在依賴於內部溫度的不均勻性(即星坯中心的溫度要高於外圍的溫度),因此在熱學上,這是一個不平衡的系統,熱量將從中心逐漸地向外流出。這一熱學上趨向平衡的自然傾向對力學平衡起著削弱的作用。於是星坯必須緩慢的收縮,以其引力位能的降低來升高溫度,從而來恢復力學平衡;同時也是以引力位能的降低,來提供星坯輻射所需的能量。這就是星坯演化的主要物理機制。
主序星階段
如此下去在一定的條件下,大塊氣雲收縮為一個凝聚體成為原恆星,原恆星吸附周圍氣雲後繼續收縮,表面溫度不變,中心溫度不斷升高,引起溫度、密度和氣體成分的各種核反應。產生熱能使氣溫升的極高,氣體壓力抵抗引力使原恆星穩定下來成為恆星,恆星的成份大部分是H和He,當溫度達到104K以上,即粒子的平均熱動能達1eV以上,氫原子透過熱碰撞就充分的電離了(分子結構被破壞,原子失去或得到電子形成離子),在溫度進一步升高後,等離子氣體中氫核與氫核的碰撞就可能引起核反應。等H穩定地燃燒為He時,恆星就成了主序星。人們發現有百分之八十至九十的恆星都是主序星,他們共同特徵是核心區都有氫正在燃燒。
主序後的演化由於恆星形成是它的主要成份是氫,而氫的點火溫度又比其他元素都低,所以恆星演化的第一階段總是氫的燃燒階段,即主序階段。在主序階段,恆星內部維持著穩衡的壓力分佈和表面溫度分佈,所以在整個漫長的階段,它的光度和表面溫度都只有很小的變化。
紅巨星
當恆星在燃燒盡星核區的氫之後,核心就會熄火,這時核心區主要是氦,它是燃燒的產物,外圍區的物質主要是未經燃燒的氫,核心熄火後恆星失去了輻射的能源,它便要引力收縮是一個起關鍵作用的因素。一個核燃燒階段的結束,表明恆星內各處溫度都已低於在該處引起點火所需要的溫度,引力收縮將使恆星內各處的溫度升高,這實際上是尋找下一次核點火所需要的溫度,引力收縮將使恆星內各處的溫度全面的升高,主序後的引力收縮首先點著的不是核心區的氦(它的點火溫度高的太多),而是核心與外圍之間的氫殼,氫殼點火後,核心區處於高溫狀態,而仍沒核能源,它將繼續收縮。這時,由於核心區釋放的引力位能和燃燒中的氫所釋放的核能,都需要透過外圍不燃燒的氫層必須劇烈地膨脹,即讓介質輻射變得更透明,來排出多餘的熱能來維持熱平衡。而氫層膨脹又使恆星的表面溫度降低了,所以這是一個光度增加、半徑增加、而表面變冷的過程,這個過程是恆星從主星序向紅巨星過渡,過程進行到一定程度,氫區中心的溫度將達到氦點火的溫度,於是又過渡到一個新階段--氦燃燒階段。
在恆星中心發生氦點火前,引力收縮以使它的密度達到了103g. cm-3的量級,這時氣體的壓力對溫度的依賴很弱,那麼核反應釋放的能量將使溫度升高,而溫度升高反過來又加劇核反應速率,於是一旦點火,很快就會燃燒的十分劇烈,以至於爆炸,這種方式的點火稱為“氦閃光”,因此在現象上會看到恆星光度突然上升到很大,後來又降的很低。
另一方面,當引力收縮時它的密度達不到103g. cm-3量級,此時氣體的壓力正比於溫度,點火溫度升高導致壓力升高,核燃燒區就會有所膨脹,而膨脹導致溫度降低,因此燃燒就能穩定的進行,所以這兩種點火情況對演化程序的影響是不同的。
恆星在發生“氦閃光”之後又怎麼演變呢?閃光使大量能量的釋放很可能把恆星外層的氫氣都吹走,剩下的是氦的核心區。氦核心區因膨脹而減小了密度,以後氦就有可能在其中正常的燃燒了。氦燃燒的產物是碳,在氦熄火後恆星將有一個碳核心區氦外殼。
這時如果恆星質量過小,引力收縮已不能達到碳的點火溫度,於是它就結束了以氦燃燒的演化,而走向熱死亡。
如果恆星質量仍然足夠大,類似氦燃燒,核心會依次透過氫、氦、碳、氧、氖、矽的核聚變來維持力學平衡。然而當最後核心出現鐵時,力學平衡就會被打破,因為鐵的核聚變會吸收而不是放出熱量,這就導致恆星的物質繼續向中心坍縮。這時恆星的歸宿有以下幾種。
恆星的歸宿
質量很小的恆星:由於質量小,物體內部的自引力並不重要,固體內部的平衡是正負離子間的淨庫侖引力與電子間的壓力來達到平衡的。這就是白矮星。
質量較大的恆星:此時引力不可忽略,加大了恆星內部的密度和壓力,壓力的加大使物質發生壓力電離,從而逐漸使固體的電約束瓦解,而過渡為等離子氣體。之後負離子體中的原子核變為富中子核,原子核中出現過多的中子,導致核結構鬆散,當密度超過4×1011g. cm-3時,中子開始從原子核中分離出來,成為自由中子,引力與中子的簡併壓力達到平衡,這就是中子星。
質量更大的星體:如果超新星中誕生的這顆中子星質量太大,中子簡併壓無法抵擋向內的引力,在這種情況下,中子結構被破壞,變為更基本的粒子夸克。夸克會挺身而出取代中子,透過夸克間的簡併壓力防止天體進一步坍縮。當夸克簡併壓和引力間達到平衡之後,一顆夸克星就此誕生。這時自由的上夸克和下夸克就會轉變成奇夸克。因此,夸克星其實是由奇夸克物質所組成的,也正是因為如此它們還被稱為奇異星。
質量更更大的恆星:如果當恆星的質量足夠大,形成中子星後,連夸克間的簡併壓力都不能抵禦物質自引力時,物質會無限的向中間坍縮,形成黑洞。
從恆星的演化可以看出來,夸克星相當於是中子星和黑洞之間存在的一個“灰色地帶”,當恆星末期的質量超過中子星時,會先演化為夸克星,如果夸克星的簡併夸克壓力還不足以和引力達到平衡時,恆星物質繼續向中心坍縮才會形成黑洞。
一個有趣的問題是,給最大質量的夸克星再新增一點物質的話會發生什麼?在它坍縮成黑洞前是否還存在一個超越於夸克星之外的狀態?(比如“超夸克星”)
這時有人會問了,如果“超夸克星”也存在,那後面會不會還有“超超夸克星”、“超超超夸克星”等等,這樣黑洞豈不就是不存在了麼?
很多人對黑洞其實有誤解,認為黑洞裡的物質會無限向中心坍縮。然而事實上科學界對黑洞的定義是:黑洞視界內的逃逸速度大於光速。
我們知道宇宙中最快的速度是光速,因此如果一個天體的逃逸速度大於光速,那麼天體發出的光也只會折反回來。比如,假設地球被壓縮為一個不到5毫米大小的圓球,此時這個圓球就是黑洞。如果這個不到5毫米大小的圓球,內部有某種壓力(比如超夸克之間的簡併壓力)與引力達到平衡,那麼它就是一顆超夸克星,同時也是一顆黑洞。
夸克星的定義是天體內部物質的壓力透過夸克簡併壓力實現平衡,而黑洞的定義是天體的逃逸速度超過光速。兩者是從不同緯度對天體進行的定義,不存在有我沒它的情況。因此:
黑洞和夸克星不是互相矛盾的,他們的定義不同,可以同時存在。發現夸克星並不代表不存在黑洞。
另:黑洞也不是霍金先發現或者提出的。
黑洞的理論發現:1916年,德國天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild,1873~1916年)透過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解,這個解表明,如果將大量物質集中於空間一點,其周圍會產生奇異的現象,即在質點周圍存在一個介面——“視界”一旦進入這個介面,即使光也無法逃脫.這種“不可思議的天體”被美國物理學家約翰·阿奇巴德·惠勒(John Archibald Wheeler)命名為“黑洞”。
黑洞的觀測發現:1970年,美國的“自由”號人造衛星發現了與其他射線源不同的天鵝座X-1,位於天鵝座X-1上的是一個比太陽重30多倍的巨大藍色星球,該星球被一個重約10個太陽的看不見的物體牽引著。天文學家一致認為這個物體就是黑洞,它就是人類發現的第一個黑洞。
最終結論:根據目前的理論,宇宙中基本確認存在"黑洞",“夸克星”則是可能存在,所謂的“黑洞”和“夸克星”的定義角度不同,可以同時存在,他們可能相同,也可能不同;黑洞不是霍金髮現的,更不存在愚弄大眾的可能。
請題主不要聽風就是雨。