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黑洞最终会吞下整个宇宙吗?

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黑洞以吸收物质、拥有无法逃脱的视界以及吞噬其邻星而闻名。但这并不意味着黑洞会吞噬宇宙。

这是最普遍的观点之一:如果时间足够长,最终都会被黑洞吞噬。在围绕我们银河系旋转的恒星中,可能有近10亿个黑洞在轨道上运行,其中以银河系中心的超大质量黑洞为主。即使每次都错过了与黑洞的碰撞,我们知道引力波会导致所有轨道衰减,最终与黑洞接触。但这并不是唯一起作用的物理过程,而且其他过程被证明更为重要。毕竟黑洞不会吞噬宇宙。

这幅艺术家的印象描绘了一颗类日恒星在接近黑洞时被潮汐力扰动撕裂。之前掉进去的物体仍然是可见的,与它们越过视界后经过的时间成正比。

在任何科学研究中,仅仅证明一个过程可以发生,然后得出结论说它确实会发生,这是远远不够的。相反,你要做的是,从定量的角度,找出它是如何发生的。这意味着确定下列事项:

它是在什么条件下发生的,

它发生的速率是多少,

以及可能发生的反馈。

只有把每件事都放在背景中,才有希望计算出宇宙中任何实际发生的事情的概率和时间尺度。对于任何质量还没有大到足以形成黑洞的质量,我们需要考虑两件事来确定被黑洞吞噬的概率:与另一个黑洞的随机碰撞,或者引力激发与一个已经存在的黑洞合并。

一个活跃黑洞的例子是类星体如何工作的一个很好的描述。活跃黑洞通过两个垂直的喷流将物质吸积并使其中一部分向外加速。任何一种落入黑洞的物质,都会导致黑洞质量和视界尺寸的额外增长。然而,尽管存在种种误解,却没有“吸进”外部物质。

我们的星系是螺旋形的,有一个延伸的薄圆盘和一个巨大的中央凸起,其中包含大约4000亿颗恒星。在所有形成的恒星中,只有0.1%多一点最终会变成黑洞,其中大多数质量在4到40倍太阳质量之间。然而,它们中的一些会变得更大:达到数千个太阳质量,银河系中心shi超大质量黑洞,有400万个太阳的质量。

仅仅基于恒星在星系中运动时的随机相互作用,像地球这样的行星在整个宇宙的历史中几乎不可能遇到恒星大小的大质量,更不用说黑洞了。到今天,离我们最近的恒星(除太阳应该不超过地球到太阳距离的500倍。我们不会期望黑洞比太阳离地球更近。

银河系中的恒星在一定距离内经过太阳的频率。y轴上是距离,x轴上通常需要等待多长时间才能发生这样的事件。

这离现在还有很长一段时间,但还有另一个因素在起作用:引力波发射引起的轨道衰变。广义相对论告诉我们,当一个物体在弯曲的空间中运动时,它就会发出引力辐射,导致能量损失,并与质量更紧密地结合,从而产生空间曲率。任何两个质量在引力作用下结合在一起的物体——无论是恒星、白矮星、中子星、褐矮星、黑洞,甚至行星——都会放射出它们的动能,直到它们最终合并。

在星系的中心,存在着恒星、气体、尘埃和(我们现在知道的)黑洞,所有这些都绕着星系中心的超大质量存在轨道运行,并与之相互作用。在足够长的时间尺度上,所有这些轨道都会衰减,导致剩余质量最大的消耗。在星系中心,这应该是中央超大质量黑洞;在我们的太阳系中,那应该是太阳。

如果这一切都在起作用,黑洞可以吞噬整个宇宙。实际上,每个大星系的中心都有一个超大质量黑洞,每当一个黑洞和另一个质量碰撞时,这个黑洞不仅存活下来,而且变得更大。考虑到每个星系群和星系团最终都会合并成一个巨大的椭圆星系,似乎黑洞吞噬宇宙是不可避免的。

您可以想象这样的场景。最终,恒星会燃烧殆尽,行星会螺旋形地进入它们的恒星尸体中,所有这些燃烧殆尽的物质最终会螺旋形地进入星系中心的黑洞中。给宇宙足够的时间,就只剩下黑洞了。

在宇宙中有两个质量在引力作用下相互结合时,它们就会弯曲它们附近的空间结构,并发出引力辐射,因为它们绕着彼此的质心公转,最终导致轨道衰变和质量合并。但这不会是大多数恒星系统、质量或恒星残骸的命运。另一个过程发生得更快、更频繁,并且占据主导地位。

但事实并非如此。你可以计算出这一切发生需要多长时间,尽管你得到了一个非常大的答案——比现在宇宙的年龄要长得多——但这仍然是一个有限的时间。如果这些是唯一起作用的效应,也许黑洞会吞噬宇宙,即使没有人留下来观察它。

然而,摆脱这种命运的方法是看看所有正在发挥作用的过程。在巨大的物体之间还可能发生其他事情,这将导致截然不同的命运。如果它们发生在更快的时间尺度上,并且频率高于黑洞消耗,那么这种替代的命运将是大多数宇宙所遭遇的命运。你认为这是幸运还是不幸取决于你自己,但计算清楚地表明黑洞不会吞噬宇宙。

合并后,巨大的螺旋桨形成一个巨大的椭圆星系。随着时间的推移,里面的星星会变得更红,因为蓝色的星星死得最快。这些阻挡光线的气体和尘埃最终要么在新一代恒星中被耗尽,要么在一次大的恒星爆发后被完全排出。而且,也许最重要的是,这些恒星会互相靠近,随着时间的推移,引力相互作用,导致绝大多数恒星被抛出。

无论在哪里有一个星系,由于重力的作用,它一定充满了大量围绕它旋转的质量。这些物质在星系中成群结队,偶尔会相互靠近,相互作用产生引力。

当两个质量相互作用时,它们都相互吸引,但通常发生的是它们的轨道相对于彼此都是双曲的。这并不意味着它们加大了速度,而是简单地改变了彼此的速度方向;除了方向不同外,它们的进/出速度是相同的。如果我们只有两个独立的,没有束缚的质量相互作用,这就是我们所期望的。如果大质量比小质量大很多,实际上,它的运动几乎没有变化。只有较小的一个经历了大规模的重定向。

当恒星系统之间发生大量的引力相互作用时,一颗恒星就会受到足够大的推力,从而从它所属的任何结构中被抛出。即使在今天,我们也能在银河系中观测到失控的恒星;一旦他们走了,就再也不会回来了。据估计,这将在10^17到10^19年间发生在我们的太阳上,这取决于我们所在星系中恒星尸体的密度。

但这两个质量,如果它们在星系中,并不是完全孤立的。相反,它们与一个更大、更大的物体绑在一起:宿主星系本身。当你得到两个质量之间的引力相互作用,这两个质量都绑定在一个更大的系统上,情况就改变了。

一般来说,这就像木星遇到一颗小行星,两颗小行星都与太阳绑定在一起:质量越大(木星)的绑定就越紧密,质量越小(小行星)的绑定就越松散。在许多这样的情况下,更小的物质甚至会在一个科学家称为剧烈松弛的过程中被喷射出来。它让你思考,如果你考虑我们的太阳系,如果我们曾经有9个,10个,甚至更多的行星在早期。今天,我们只剩下幸存者。

在太阳系早期,有超过四颗巨型行星的种子是非常合理的。模拟表明,它们有能力向内和向外迁移,也有能力将这些天体喷射出去。当我们到达现在的时候,只有四颗气态巨星存活了下来。

我们可以计算,基于我们在星系和所有星系中发现的质量,我们可以期望恒星、恒星尸体和其他质量在周围停留多久。虽然黑洞对1020年或更长时间的时间尺度有有趣的影响,但这种喷射现象的效率要高得多。从现在起大约1017年,将会有大量的喷发发生。到1019年过去的时候,所有星系中大约99%的恒星都会被抛出:被抛入星系间的介质中,在那里它们再也不会遇到另一个星系、星系群或星团。

宇宙的绝大部分不会被黑洞吞噬,而是被抛入星系间的空间。一旦到达那里,它们将作为“逃逸恒星”(或恒星残骸)在宇宙中游荡,直到宇宙仍然存在。

模拟黑洞的衰变不仅导致辐射的发射,而且使大多数物体保持稳定的中心轨道质量的衰变。黑洞不是静止的物体,而是随着时间而变化的。对于质量最小的黑洞来说,蒸发速度最快,但即使是宇宙中质量最大的黑洞,也不能活过最初的10^100年。

是的,将会有非常非常少的恒星、行星、小行星以及更多的物质被黑洞吞噬,但这还不到目前宇宙中所有物质的0.1%。甚至暗物质也会留在星系的外围,无法被黑洞吞噬。

你可能会认为,星系中仍然存在的任何东西最终都会被吞噬,但不要忘记霍金辐射:最终,宇宙中所有的黑洞也会衰变。在剩余星系物质的任何实质性部分被吞噬之前,宇宙中的每一个黑洞都将完全衰变。如果你心爱的东西掉进了黑洞,不要绝望。试着等待,你不仅会在某一天重新获得它的能量,而且很可能还会获得它的信息。

责任编辑:创业大佬说