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宇宙揭秘:黑洞的寿命有多长?

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发表于 2017-5-17 15:53:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

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一般说来质量大于3个太阳质量的恒星演化晚期就会形成黑洞。因此,可以说黑洞是大质量恒星的归宿。

从经典物理的角度来看,黑洞作为大质量恒星的“终态”,寿命是永恒的。这并不难理解,毕竟“黑洞”这个名字的由来便是因为它只吸收物质却不会放出物质这一特性来起的。所以直到上世纪70年代以前,物理学家普遍认为黑洞就像不死的幽灵一样,隐藏在宇宙的黑暗角落里。

黑洞

不过这一观点在上世纪70年代发生了革命性的转变,著名的物理学家霍金在经典引力中考虑了量子效应,通过弯曲时空量子场论的方法证明了黑洞实际上并非“有进无出”的。黑洞存在热辐射——辐射谱满足黑体辐射的性质!由于这一过程会使得黑洞的质量减少,我们又形象地把这个过程称为“黑洞蒸发”。这彻底改变了物理学家对黑洞的看法,黑洞不再是一个永恒的物体。

黑洞的寿命

现在我们就可以利用黑洞蒸发理论估算黑洞“寿命”。

考虑最简单的史瓦西黑洞,这是一类不带电、不旋转的球对称黑洞。

黑洞的温度跟它的质量成反比。因此一个确定质量的黑洞可以确定它的温度。

有了温度以后,根据黑体辐射理论中斯特凡-玻尔兹曼定律可以计算出单位时间单位面积的黑洞热辐射带走的能量,从而得到黑洞的“寿命”。

黑洞的寿命有多少

我给出的计算结果如下(具体推导过程需要用到3点,首先是黑洞的面积与质量的平方成正比,其次是黑洞的能量与质量成正比,最后是黑体辐射的斯特凡-玻尔兹曼定律):

据以上的公式可以估算得到,一个原子核大小的黑洞,它的寿命跟目前的宇宙年龄几乎一样大。而一个太阳质量的黑洞,它的寿命约为十的65次方年,比宇宙的年龄大十的54次方倍!

因此,我们可以得到两个结论:①因为恒星坍缩形成的黑洞质量都要大于3个太阳质量,因此这些大黑洞的寿命几乎是无穷大的。②大黑洞的热辐射是非常弱的,这也是为什么天文学实验中从未观测到大黑洞的热辐射。


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发表于 2017-5-18 12:29:30 | 显示全部楼层
黑洞的温度跟它的质量成反比。
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