白矮星中子星物質已經不能用元素解釋,那麼黑洞裡面還有物質嗎?

本文完全是借題發揮,基于網友提出這樣一個問題:黑洞的密度無限大,那麼黑洞會是什麼元素組成的?塌縮的鐵會形成新元素嗎?

其實這個問題表述不是很準確。

黑洞密度無限大只是指黑洞中心的奇點。

現在人們認識黑洞一般把黑洞史瓦西半徑包括在內。

黑洞奇點無窮小,但史瓦西半徑是有一定尺度的。

這個半徑與質量成正比,質量越大,史瓦西半徑就越大。

計算公式為:R=2GM/C²

式中,R為史瓦西半徑,G為引力常數(6.67x10^-11N·m²/kg²),M為質量,C為光速。

但黑洞所有質量是集中在奇點上。

這個奇點體積無限小,無限小的東西使我們無法認知的東西。哪怕這個黑洞質量只有1克,其密度也是無限大的,因為無限小的體積無法測算密度。

既然物質在無窮小的體積裡,任何我們認知的元素都不存在。

我們認知的物質都是由原子組成,元素也是有原子組成。

我們人類能夠認知的最小尺度是普朗克尺度,也就是1.6×10^-35米。電子直徑為10^-15米,普朗克尺度比電子小20個數量級,也就是小1萬億億倍。

量子力學認為,小于普朗克尺度對于我們世界沒有任何意義。

但奇點無限小,就是比這個還要小,不知小多少。

而黑洞的所有質量都在這個奇點裡,這樣的物質現有任何理論都無法描述。

事實上,到了白矮星,物質就不是由我們認知的元素組成了。

白矮星是太陽的歸宿,一般認為,0.5倍以上到8倍以下太陽質量的恒星,死亡後就會留下一個白矮星,因此白矮星是這類恒星的屍骸。

白矮星上的物質非常至密,原子被壓扁壓破,一些核外電子成了自由電子,但還基本保持了原子的狀態,依靠電子簡並壓支撐著引力壓力,所以又叫做電子簡並態物質。

何謂電子簡並壓?就是根據泡利不相容原理,在費米子組成的系統中,不能有兩個或兩個以上的粒子處于完全相同的狀態。

這樣電子之間就形成了一種無法相容的壓差,靠這個支撐著不繼續塌陷。

白矮星物質密度達到每立方公分1~10噸,已經不是我們認識的任何一種元素了。

這種至密物質的星球引力很強大,一般天體,也就是恒星、行星、星際物質靠近它都會被拉扯撕碎吃掉。

隨著白矮星不斷的吞噬周邊天體物質,也就是吸積,質量達到錢德拉塞卡極限,也就是太陽的1.44倍時,電子簡並壓就承受不住身體的壓力了,就會繼續塌縮,巨大能量引發突發碳、氧核聚變,熱失控導致la超新星爆發。

白矮星爆發的結果很可能形成一顆中子星。

因此錢德拉塞卡極限既是白矮星的上限,也是中子星的下限。

中子星的壓力已經將原子壓垮壓碎了,電子被壓進了原子核,與質子中和成為中子,加上原來的中子,整個星球都變成了一個大中子核。

中子星很小,1.44倍太陽質量以上的半徑只有10公里大小,因此物質就更極端至密了,其密度達到每立方公分10億噸左右,這種物質還能夠算得上我們認知的任何元素嗎?

中子星是依靠中子簡並壓支撐著巨大的引力壓,但有一個奧本海默極限,就是到達3個太陽質量左右時,就撐不住了,必然坍縮成一個黑洞。

恒星形成中子星或黑洞並不一定要一級一級轉變過來,如果恒星巨大,在演化晚期就會直接轉變成中子星或者黑洞。

大質量恒星發生超新星大爆炸直接生成中子星或黑洞。

一般認為8倍以上太陽質量的恒星超新星大爆發後,會留下一個中子星;30~40倍太陽質量以上的恒星大爆炸後會留下一個黑洞。

從中我們可以發現,超新星大爆炸是把絕大部分物質都通過爆發拋散到了太空,剩下的核心很小很小。

中子星在3倍太陽質量以下,而一個40倍太陽質量的恒星,生成的黑洞一般只有4倍左右的太陽質量。

也有巨大的恒星由于中心溫度太高,會產生足量的反物質,大爆炸後灰飛煙滅,什麼也不會留下。

大質量恒星演化末期,都是完成了從氫核聚變開始,一級一級核聚變,到達鐵元素就無法進行下去了。

超新星大爆發前原恒星中心都是一個鐵核。

大質量恒星都是一級一級不斷的發生核聚變,從氫核聚變開始,順著元素週期表從輕到重不斷升級,每升一級所需要的的溫度和壓力就更高。

但到了鐵元素這一關,就過去去了。

這是因為鐵元素是最穩定的元素,不管是核裂變還是核聚變都不會產生能量形成自發的鏈式反應,而是要消耗更多的能量。恒星在演化後期根本沒有能量來激發鐵核聚變。

這樣大質量恒星核心到此核聚變就進行不下去了。

在整個恒星主序星階段,恒星的穩定都是依靠中心核聚變的輻射壓來抵禦質量的引力壓,沒有了核聚變輻射壓,恒星引力壓導致物質急劇向核心坍縮,導致核心崩潰,熱核失控導致巨大能量爆發。

這就是超新星爆發。爆發的結果,根據中心留下至密天體的質量不同,形成一個中子星或者一個黑洞。

有人問,中心那個鐵核呢?當然也被炸得粉碎了。

超新星爆發的能量巨大,一顆超新星爆發至少相當于太陽一生100億年輻射能量的總和,2015年發現的ASASSN-15lh超新星爆發,是迄今最強烈的超新星爆發,瞬間亮度達到太陽的5700億倍。

超新星爆發的溫度可達100~1000億度。

在這樣巨大能量高溫高壓下,還有什麼物質練不出來呢?那個頑固的鐵核當然也不例外,瞬間聚變成了更重的元素。

在宇宙誕生初期,只有氫、氦、鋰等輕元素存在,是恒星核聚變和超新星大爆炸,才使我們這個世界的元素漸漸多起來,但總量不到1%。

而現在宇宙中人類已經發現存在118種元素,這些元素的所有重元素,都是恒星通過核聚變和超新星大爆炸得來的。

這些元素無法與極端天體相提並論。

人類已知的118種元素中,密度最大的元素為金屬鋨,每立方公分22.8克。

白矮星物質密度每立方公分達到10噸左右,中子星物質密度每立方公分達到10億噸!

這種密度與我們已知元素完全不在一個量級上,是真正的天壤之別。

劉慈欣《三體》小說中三體人派出的水滴,就相當于中子星密度,因此光滑無比,一個原子都難以隆起。

這種物質雖然我們目前無法看到,但還在我們的理論認知范圍之內。

而黑洞奇點,已經不是中子被壓碎那麼簡單的事情了,物質狀態超出我們的認知,是超時空的東西,人類又怎麼能夠窺視其中的奧秘呢?

結論:黑洞的組成已經不是我們認知的元素,鐵在高溫高壓下能夠聚變出更重的元素,但「塌縮」描述不準確。

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