了不起的物理

53 如何製造一個黑洞?

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根據質量大小的不同,黑洞也分為好幾種。

黑洞通常都擁有很大的質量,但質量的大小並非決定一個天體是否成為黑洞的唯一因素。黑洞的形成,要求一個天體具有極強的引力,而極強的引力通常伴隨著極大的質量,但並非絕對。一個天體萬有引力的大小正比於它的質量,反比於它半徑的平方,換句話說,一個天體如果質量不夠大,半徑小的話也是有機會成為一個黑洞的。也就是一個天體的密度如果足夠大,就能成為一個黑洞。有一個概念叫作史瓦西半徑,所謂史瓦西半徑,就是當一個天體被壓縮到它的史瓦西半徑的大小的時候就會成為一個黑洞。譬如,把太陽的質量全部壓縮到一個半徑為三千米的球內,太陽就會成為一個黑洞。如果把地球壓縮到一個橘子大小,地球也會成為一個黑洞。

最小的一類黑洞,叫原初黑洞,它是理論猜想的,還沒有被發現。原初黑洞的質量非常小,根據霍金的計算,這類黑洞的質量大約隻有1千克的一億分之一。之所以叫原初黑洞,就是因為根據理論的計算,這類黑洞在宇宙大爆炸之初,宇宙的能量密度還很高的時候才有可能形成。正常情況下,那麽小質量的物體是不可能自發形成黑洞的,因為引力根本不夠,除非是外部的超高能量密度通過擠壓把小質量壓縮到史瓦西半徑以內才有可能。

最常見的黑洞叫作恒星黑洞,質量在太陽質量的3~65倍之間。恒星黑洞是由一顆質量比較大的恒星,在所有的能量都消耗殆盡之後,內部的能量無法頂住引力的收縮,體積被壓縮到史瓦西半徑以內,進而形成黑洞。另外一種黑洞,叫超大質量黑洞,它的質量一般是太陽質量的幾百萬倍,最大的可以到太陽質量的幾十億倍。譬如,銀河係中心有一個超大質量黑洞,它的質量大約就是太陽質量的幾十億倍。關於超大質量的黑洞是如何形成的,還沒有定論,一個可能的原因是小黑洞經過不斷合並,從而形成超大質量黑洞。