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黑洞增长至极限值后会蒸发消失
黑洞生长速度比蒸发速度更快吗？黑洞是已知宇宙中最大质量的单个天体,其质量是太阳质量的数百万倍,甚至数十亿倍,它们形成于超质量恒星及其残骸物质崩溃过程.任何跨越黑洞事件视界的物质将注定到达奇点,逐渐增大黑洞质量.广义相对论告诉我们太空会被质量弯曲,同时,量子场理论告诉我们真空的自然运行属性,我们知道黑洞不会永远地保持稳定,而是逐渐衰变.
为什么黑洞生长速度不会超过其辐射蒸发速度？如果粒子对在太空任何区域喷发,其中包括黑洞内部的事件视界,同时,并不是所有粒子不久会湮灭消失,为什么黑洞不会因为未湮灭幸存粒子而缓慢膨胀呢？这里存在一个人们理解误区,真空是一个非常有趣的区域,它在许多方面一点儿也不空.当然你可以想象所有物质、所有辐射、所有能量,甚至所有完全脱离太空区域的弯曲事件,直至它们都完全脱离空间,接近于宇宙的“一无所有”状态.即使是这样,真空的零点能量也不是完全是零状态,即使你移除任何事物,我们仍认为粒子-反粒子对可以“时进时出”.
40年多前,英国著名物理学家史蒂芬-霍金提出了所谓的“霍金辐射”理论,即黑洞因为辐射而逐渐萎缩变小直至消失.目前,在可视化研究中,将一个黑洞“放置”在空间中,研究人员会发现粒子-反粒子对可能出现的3种存在方式：一是粒子-反粒子对出现在黑洞外部,并在黑洞外部进行再湮灭；二是粒子-反粒子对在黑洞事件视界中存在,然后再湮灭；三是粒子-反粒子对都出现在黑洞外部,但是一种落入黑洞,而一种逃逸黑洞.这种推测的确过于简单化,但这是最简单清晰的可视化推测之一,能够正确地定性量化分析,即使该理论未精确地描述霍金辐射理论起源,或者它的能量频谱是什么.在现实中,你所得到的是黑体辐射的频谱——主要是极低能量的光子,这与黑洞事件视界的大小有关,较小黑洞辐射速度更快.
你必须意识到这些“配对粒子”从物理上并不存在,它们仅是一种计算工具而已.成对粒子进入黑洞内部,不会增加黑洞自身质量,因为其总能量始终不变.毕竟粒子-反粒子对的能量来自于周围空间,但如果拥有源自太空外部的能量,并且这种能量是从黑洞释放的真实辐射,那么该能量一定源自黑洞,使黑洞逐渐减少质量.这就是霍金辐射理论的真实内容,并能证实为什么黑洞最终会衰退.
我们可以量化衰退速度和辐射温度,从而发现黑洞以非常慢的速度损失质量,对于一个拥有太阳质量的黑洞,它当前的霍金辐射温度为62纳米开氏度,那么这个黑洞将需要10^67年蒸发消失；在银河系中心辐射温度为15飞姆托开氏度（千万亿分之一开氏度）,那么银河系中心黑洞需要10^87年蒸发消失；研究人员推测宇宙最大的黑洞需要10^100年蒸发消失！然而在这一过程中,黑洞也会吸入许多物质——其他恒星物质,宇宙灰尘、星际物质、气体云,甚至宇宙大爆炸残留的辐射物质和中微子等都会增加黑洞质量.介入暗物质将与黑洞发生碰撞,增加其质量.黑洞等量辐射远低于黑洞吸收物质很多数量级,但是黑洞吸收物质存在一个限制等级.
随着时间的推移,宇宙坍塌物质将进入星际介质,引力分解将驱使物质分离.这可能需要大约10^20年,相当于当代宇宙的100亿年时间,该物质吸收速度远低于霍金辐射速度,但它最终是会发生的,届时黑洞就会开始衰退,我们知道宇宙中每个黑洞仍在不断地生长,但是当黑洞质量增至一个极限值后将开始缓慢地辐射,随着时间推移,霍金辐射逐渐增强,特别是黑洞的质量开始明显收缩的时候,一旦形成一个奇点,黑洞质量将快速损耗,直到质量趋于零.然而,当黑洞生命的最后一刻,将释放大量特殊能量,当黑洞质量降至228吨时,这就是一个准确的生命弥留信号.总体来讲,黑洞将在数十亿年时间里不断地生长,再生长,之后它们衰减速度将大于生长速度,即使宇宙中最大质量的黑洞也会最终蒸发消失,霍金辐射是宇宙中每个黑洞不可避免的命运预言.
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