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黑洞“贪吃”结局很难预测

来源:科普时报    发布日期:2018-01-15

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黑洞最后会怎样结束?这是一个很好的科学问题。

    恒星的生命并不是无限长的,最终都会变成其他天体,比如在大约50亿年后,我们熟悉的太阳将从恒星变成红巨星。但是宇宙中有些天体如果不管它,让它自生自灭,可能真的会一直存在下去,比如恒星演化到最后能够形成白矮星和中子星,绝大部分都会一直存在下去。目前不知道有什么机制会让它们自己消失或者变成别的天体。

    但是黑洞还真是很不同。真实的宇宙中会有哪些黑洞?目前天文学家已经发现的黑洞主要有两类。

    一类是质量在几倍到几十倍太阳质量的黑洞,算是质量比较小的黑洞了。它们基本上都是大质量恒星演化到最后的结果。这种黑洞在每个星系里面都有,比如银河系里就有很多,我本人还发现了其中一个特别重要的黑洞——GRO J1655-40。这个黑洞的质量在6-7倍太阳质量之间。它不是孤独存在的,而是和一个普通恒星组成了一个双星系统。天文学家们已经在银河系发现了几十个这个量级质量的黑洞,但是应该还有大量尚未被发现的。我本人担任首席科学家的慧眼天文卫星的任务之一,就是研究这种黑洞和发现更多这种类型的黑洞。

    另一类是差不多每一个星系中心都有的超大质量黑洞,质量在百万到百亿倍太阳质量之间。我们的银河系中心就有一个质量是4百万倍的太阳质量的黑洞,属于这种黑洞中质量较小的。这些巨大的黑洞一开始是怎么产生的还不是很清楚,但是它们肯定是通过吞噬所在星系里面的物质长大的。

    一些观测证据表明,应该还存在介于上述两种黑洞质量之间的黑洞,但是目前已有的证据还不是特别充分,所以也不是很清楚它们的来源。

    上面提到的这些黑洞都是宏观黑洞。根据我们目前的理解,它们的未来只有一个方向:宏观黑洞会继续吞噬能够遇到的任何物质和能量,长得越来越大;然而在体积越来越大的同时,它们的平均密度会越来越小,也就是说它们会变得越来越“虚胖”。

    1974年,物理学家史蒂芬·霍金提出了黑洞的辐射理论,即霍金辐射。根据这个理论,黑洞会通过霍金辐射损失一部分质量和能量。虽然霍金辐射会让它们“冒汗”,但是消耗的量远远比不上它们“贪吃”的量,所以也就根本无法“减肥”。

    事实上,宇宙中的所有物质最后都可能落入到这些贪吃的黑洞的内部,到那时候,宇宙中就真的是漆黑一片了。

    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,我们的宇宙可能还有救。当然这是另外一个有趣的问题了,这里不再解释。

    除了这些宏观黑洞之外,宇宙大爆炸的过程中也可能产生质量比较小的量子黑洞。这些黑洞就能够产生比较强烈的霍金辐射,使得黑洞的消耗大于其贪吃的量。当然前提是假设霍金辐射的理论是正确的。根据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少的同时温度升高,辐射效率就更高,于是到最后就演变成质量非常小温度非常高,这就是一个爆炸。所以量子黑洞是自我毁灭的黑洞。

    但是有些人(包括我本人和我的学生杨荣佳,他现在是河北大学教授)认为,霍金的黑洞辐射理论不完备,提出修改的黑洞辐射理论,这样量子黑洞辐射到最后不会爆炸,而是形成一个不是黑洞的稳定粒子,其质量就是普朗克质量,约为质子质量1000亿亿倍,也就是10万分之一克,大约一粒灰尘的质量。而这样的粒子有可能就是我们目前正在搜寻的暗物质粒子。

    目前,不管是霍金的标准黑洞蒸发理论还是修改的理论都还没有得到观测或实验的验证,所以我们既不知道量子黑洞是否存在,也不知道量子黑洞最后的结局是什么。

    (作者系中国科学院高能物理研究所研究员)

作者:张双南编辑:叶秋红
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