黑洞是夸克星吗(黑洞有遵守的定律吗)

黑洞是夸克星吗(黑洞有遵守的定律吗)

首页维修大全综合更新时间:2024-05-12 11:17:39

黑洞是夸克星吗

根据现有的理论,黑洞可以基本确认是存在的;而夸克星是一种新的理论模型,可用于解释一些观测到的天文现象,但还需要通过进一步的理论研究来进行考察。

首先我们要明白几个概念:什么是黑洞和夸克星,他们又是如何形成的。

黑洞:黑洞是现代广义相对论中,宇宙空间内存在的一种天体。黑洞的引力很大,使得视界内的逃逸速度大于光速。

夸克星:恒星死亡时会在自身重力的影响下发生坍缩,若其质量为中等,即约比太阳的质量多1.44倍,重力就足够将恒星物质中的电子和质子挤压到一起形成中子星;若该恒星质量更大,中子可能破碎成自身的组成成分,即夸克。在一定的压力下半数由中子分离而成的夸克能够转化为奇夸克,产生一种更加致密的物质类型。这时的星体就是由奇夸克紧密结合在一起所构成的“夸克星”。夸克星主要是理论上的产物,科学家侦测到两个之前被认为是中子星奇怪的天体。而基于已知的物理原理,第一个天体看起来比正常的中子星小很多,而第二个则比正常的中子星温度更低,因此认为它们是由密度比0号元素(中子)更高的物质组成。但是,这些观察和结论是否正确还有待研究,有人认为这些研究人员的结论不具有决定性的结果。

下面我们通过讲述恒星的一生来说明黑洞和夸克星(若存在)的形成:

恒星的诞生

万有引力告诉我们,引力会使物质相互吸引,集中在一起。宇宙中的气体云正是如此,他们坍缩,加速向中心坠落,当物质的线度收缩了几个数量级后,情况就不同了。一方面,气体的密度有了剧烈的增加;另一方面,气体坍缩失去了一部分的引力位能,这部分位能转化为了热能,使气体温度也有了很大的增加(换个说法就是气体体积缩小,温度升高)。由于气体的压力正比于它的密度与温度的乘积,因而在塌缩过程中,压力增长更快。这样,在气体内部很快形成一个足以与自引力相抗衡的压力场,这压力场最后制止引力塌缩,从而建立起一个新的力学平衡位形,称之为星坯。

星坯的力学平衡是靠内部压力与自引力相抗衡。然而恒星内部却存在压力梯度(中心密度大,压力大),压力梯度的存在依赖于内部温度的不均匀性(即星坯中心的温度要高于外围的温度),因此在热学上,这是一个不平衡的系统,热量将从中心逐渐地向外流出。这一热学上趋向平衡的自然倾向对力学平衡起着削弱的作用。于是星坯必须缓慢的收缩,以其引力位能的降低来升高温度,从而来恢复力学平衡;同时也是以引力位能的降低,来提供星坯辐射所需的能量。这就是星坯演化的主要物理机制。

主序星阶段

如此下去在一定的条件下,大块气云收缩为一个凝聚体成为原恒星,原恒星吸附周围气云后继续收缩,表面温度不变,中心温度不断升高,引起温度、密度和气体成分的各种核反应。产生热能使气温升的极高,气体压力抵抗引力使原恒星稳定下来成为恒星,恒星的成份大部分是H和He,当温度达到104K以上,即粒子的平均热动能达1eV以上,氢原子通过热碰撞就充分的电离了(分子结构被破坏,原子失去或得到电子形成离子),在温度进一步升高后,等离子气体中氢核与氢核的碰撞就可能引起核反应。等H稳定地燃烧为He时,恒星就成了主序星。人们发现有百分之八十至九十的恒星都是主序星,他们共同特征是核心区都有氢正在燃烧。

主序后的演化由于恒星形成是它的主要成份是氢,而氢的点火温度又比其他元素都低,所以恒星演化的第一阶段总是氢的燃烧阶段,即主序阶段。在主序阶段,恒星内部维持着稳衡的压力分布和表面温度分布,所以在整个漫长的阶段,它的光度和表面温度都只有很小的变化。

红巨星

当恒星在燃烧尽星核区的氢之后,核心就会熄火,这时核心区主要是氦,它是燃烧的产物,外围区的物质主要是未经燃烧的氢,核心熄火后恒星失去了辐射的能源,它便要引力收缩是一个起关键作用的因素。一个核燃烧阶段的结束,表明恒星内各处温度都已低于在该处引起点火所需要的温度,引力收缩将使恒星内各处的温度升高,这实际上是寻找下一次核点火所需要的温度,引力收缩将使恒星内各处的温度全面的升高,主序后的引力收缩首先点着的不是核心区的氦(它的点火温度高的太多),而是核心与外围之间的氢壳,氢壳点火后,核心区处于高温状态,而仍没核能源,它将继续收缩。这时,由于核心区释放的引力位能和燃烧中的氢所释放的核能,都需要通过外围不燃烧的氢层必须剧烈地膨胀,即让介质辐射变得更透明,来排出多余的热能来维持热平衡。而氢层膨胀又使恒星的表面温度降低了,所以这是一个光度增加、半径增加、而表面变冷的过程,这个过程是恒星从主星序向红巨星过渡,过程进行到一定程度,氢区中心的温度将达到氦点火的温度,于是又过渡到一个新阶段--氦燃烧阶段。

在恒星中心发生氦点火前,引力收缩以使它的密度达到了103g. cm-3的量级,这时气体的压力对温度的依赖很弱,那么核反应释放的能量将使温度升高,而温度升高反过来又加剧核反应速率,于是一旦点火,很快就会燃烧的十分剧烈,以至于爆炸,这种方式的点火称为“氦闪光”,因此在现象上会看到恒星光度突然上升到很大,后来又降的很低。

另一方面,当引力收缩时它的密度达不到103g. cm-3量级,此时气体的压力正比于温度,点火温度升高导致压力升高,核燃烧区就会有所膨胀,而膨胀导致温度降低,因此燃烧就能稳定的进行,所以这两种点火情况对演化进程的影响是不同的。

恒星在发生“氦闪光”之后又怎么演变呢?闪光使大量能量的释放很可能把恒星外层的氢气都吹走,剩下的是氦的核心区。氦核心区因膨胀而减小了密度,以后氦就有可能在其中正常的燃烧了。氦燃烧的产物是碳,在氦熄火后恒星将有一个碳核心区氦外壳。

这时如果恒星质量过小,引力收缩已不能达到碳的点火温度,于是它就结束了以氦燃烧的演化,而走向热死亡。

如果恒星质量仍然足够大,类似氦燃烧,核心会依次通过氢、氦、碳、氧、氖、硅的核聚变来维持力学平衡。然而当最后核心出现铁时,力学平衡就会被打破,因为铁的核聚变会吸收而不是放出热量,这就导致恒星的物质继续向中心坍缩。这时恒星的归宿有以下几种。

恒星的归宿

质量很小的恒星:由于质量小,物体内部的自引力并不重要,固体内部的平衡是正负离子间的净库仑引力与电子间的压力来达到平衡的。这就是白矮星。

质量较大的恒星:此时引力不可忽略,加大了恒星内部的密度和压力,压力的加大使物质发生压力电离,从而逐渐使固体的电约束瓦解,而过渡为等离子气体。之后负离子体中的原子核变为富中子核,原子核中出现过多的中子,导致核结构松散,当密度超过4×1011g. cm-3时,中子开始从原子核中分离出来,成为自由中子,引力与中子的简并压力达到平衡,这就是中子星。

质量更大的星体:如果超新星中诞生的这颗中子星质量太大,中子简并压无法抵挡向内的引力,在这种情况下,中子结构被破坏,变为更基本的粒子夸克。夸克会挺身而出取代中子,通过夸克间的简并压力防止天体进一步坍缩。当夸克简并压和引力间达到平衡之后,一颗夸克星就此诞生。这时自由的上夸克和下夸克就会转变成奇夸克。因此,夸克星其实是由奇夸克物质所组成的,也正是因为如此它们还被称为奇异星。

质量更更大的恒星:如果当恒星的质量足够大,形成中子星后,连夸克间的简并压力都不能抵御物质自引力时,物质会无限的向中间坍缩,形成黑洞。

从恒星的演化可以看出来,夸克星相当于是中子星和黑洞之间存在的一个“灰色地带”,当恒星末期的质量超过中子星时,会先演化为夸克星,如果夸克星的简并夸克压力还不足以和引力达到平衡时,恒星物质继续向中心坍缩才会形成黑洞。

一个有趣的问题是,给最大质量的夸克星再添加一点物质的话会发生什么?在它坍缩成黑洞前是否还存在一个超越于夸克星之外的状态?(比如“超夸克星”)

这时有人会问了,如果“超夸克星”也存在,那后面会不会还有“超超夸克星”、“超超超夸克星”等等,这样黑洞岂不就是不存在了么?

很多人对黑洞其实有误解,认为黑洞里的物质会无限向中心坍缩。然而事实上科学界对黑洞的定义是:黑洞视界内的逃逸速度大于光速。

我们知道宇宙中最快的速度是光速,因此如果一个天体的逃逸速度大于光速,那么天体发出的光也只会折反回来。比如,假设地球被压缩为一个不到5毫米大小的圆球,此时这个圆球就是黑洞。如果这个不到5毫米大小的圆球,内部有某种压力(比如超夸克之间的简并压力)与引力达到平衡,那么它就是一颗超夸克星,同时也是一颗黑洞。

夸克星的定义是天体内部物质的压力通过夸克简并压力实现平衡,而黑洞的定义是天体的逃逸速度超过光速。两者是从不同纬度对天体进行的定义,不存在有我没它的情况。因此:

黑洞和夸克星不是互相矛盾的,他们的定义不同,可以同时存在。发现夸克星并不代表不存在黑洞。

另:黑洞也不是霍金先发现或者提出的。

黑洞的理论发现:1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild,1873~1916年)通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解,这个解表明,如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异的现象,即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱.这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇巴德·惠勒(John Archibald Wheeler)命名为“黑洞”。

黑洞的观测发现:1970年,美国的“自由”号人造卫星发现了与其他射线源不同的天鹅座X-1,位于天鹅座X-1上的是一个比太阳重30多倍的巨大蓝色星球,该星球被一个重约10个太阳的看不见的物体牵引着。天文学家一致认为这个物体就是黑洞,它就是人类发现的第一个黑洞。

最终结论:根据目前的理论,宇宙中基本确认存在"黑洞",“夸克星”则是可能存在,所谓的“黑洞”和“夸克星”的定义角度不同,可以同时存在,他们可能相同,也可能不同;黑洞不是霍金发现的,更不存在愚弄大众的可能。

请题主不要听风就是雨。

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