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黑洞将如何结束?这是一个很好的科学问题。
我们知道,恒星的生命不是无限的,最终会变成其他天体。例如,在大约50亿年后,熟悉的太阳将从恒星变成红巨星。但是,如果让宇宙中的某些天体自生自灭,它们可能真的会永远存在。比如恒星演化能形成的白矮星和中子星,大部分都会一直存在。目前还不知道什么机制会让它们消失或者变成其他天体。
但是黑洞真的不一样。
首先,我们来看看真实宇宙中有什么,会有什么黑洞。
目前,天文学家已经发现了两种类型的黑洞。
一种是质量是太阳几倍到几十倍的黑洞,被认为是比较小的黑洞。它们基本上是大质量恒星演化的最终结果。这种黑洞存在于每一个星系中,比如银河系中就有很多。我还发现了一个最重要的黑洞——GRO J1655-40,它的质量是太阳的6到7倍。它不是单独存在的,而是与一颗普通恒星形成双星系统。天文学家在银河系中发现了几十个这样大小的黑洞,但应该还有大量未被发现的。我是贵研天文卫星的首席科学家,它的任务之一就是研究这种黑洞,发现更多这种类型的黑洞。
另一个是几乎每个星系中心的超大质量黑洞,其质量是太阳质量的一百万到一百亿倍。我们银河系的中心是一个黑洞,质量是太阳的400万倍,属于较小的一个。不清楚这些巨大的黑洞最初是如何形成的,但它们一定是通过吞噬星系中的物质而成长起来的。
一些观测证据表明,上述两种黑洞质量之间应该还存在黑洞,但现有证据并不是特别充分,所以它们的来源不是很清楚。
上面提到的这些黑洞都是宏观黑洞。按照我们目前的理解,他们的未来只有一个方向:宏观黑洞会继续吞噬任何可以遇到的物质和能量,越来越大;然而,随着体积的增加,它们的平均密度会越来越小,这意味着它们会变得越来越蓬松。
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1974年,物理学家斯蒂芬·霍金提出了黑洞辐射理论,即霍金辐射。根据这个理论,黑洞会因为霍金辐射而失去一些质量和能量。虽然霍金辐射会让他们“出汗”,但是他们消耗的量远远小于他们渴望的量,所以根本减肥不了。
事实上,宇宙中的所有物质最终都可能落入这些贪婪的黑洞,到那时,宇宙将真正黑暗。
有没有可能避免宇宙变成这样?答案是“不知道”。几年前,我提出了一个猜想,如果这个猜想是正确的,我们的宇宙也许还有救!当然,这又是一个有趣的问题,这里就不解释了。
除了这些宏观黑洞,在BIGBANG的过程中也可能产生质量相对较小的量子黑洞。这些黑洞可以产生相对较强的霍金辐射,这使得黑洞消耗的比它们的贪吃多。当然前提是霍金辐射理论是正确的。按照标准的霍金辐射理论,这些量子黑洞的辐射会导致黑洞质量减小,温度升高,辐射效率会更高,所以最后会演化成非常小的质量和非常高的温度,这就是爆炸。所以量子黑洞是自我毁灭的黑洞。
但也有人认为霍金的黑洞辐射理论是不完整的,提出了修正的黑洞辐射理论,使量子黑洞最终不会爆炸,而是形成一个稳定的非黑洞的粒子,其质量为普朗克质量,约为质子质量的1000亿倍,即10万克,约为一粒尘埃的质量。这些粒子可能就是我们目前正在寻找的暗物质粒子。
目前,无论是霍金的标准黑洞蒸发理论还是修正理论,都没有经过观测或实验的验证,所以我们不知道量子黑洞是否存在,也不知道量子黑洞的最终结局是什么。
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