关于黑洞能否死亡的关键要点
- 是的，黑洞可以死亡，这个过程被称为霍金辐射。
- 霍金辐射的微弱性使其在我们今天能观测到的黑洞中几乎不可能被探测到。
- 一个与我们太阳质量大致相当的黑洞，大约需要10^67年才能消失。然而，黑洞质量越大，这个过程就越慢。位于星系中心的超大质量黑洞则需要接近10^100年（即一个古戈尔年）才能消失。
乍一看，黑洞似乎是永恒的。它们是宇宙中的庞然大物，引力之强，连光都无法逃脱。但如果我们目前对物理学的理解是正确的，那么即使是这些巨物也不会永远存在。只要时间足够长，宇宙中的每一个黑洞最终都应该会消失。
这个略显悲伤的命运是现代天体物理学中最引人入胜的观点之一——霍金辐射——的结果。这个极其缓慢的过程导致黑洞蒸发，并改变了我们对宇宙命运的思考方式。
黑洞如何死亡
在1970年代中期，斯蒂芬·霍金证明，当我们将量子力学规则与爱因斯坦的广义相对论相结合时，黑洞实际上并不会保持完全的“黑”。它们会发出微弱的辐射辉光。
物理学家用“虚粒子”来解释这一点，这些虚粒子在真空中不断地出现和消失。通常情况下，它们成对出现，几乎瞬间相互湮灭，不留任何痕迹。但正如俄勒冈大学物理学和天文学助理教授伊维特·森德斯所说，黑洞的事件视界让事情变得有趣起来。
“如果这对粒子/反粒子恰好在事件视界——黑洞的‘不归点’——上产生，你可能会得到一个粒子落入黑洞，而另一个则逃逸到宇宙中。这意味着创造新粒子的能量必须来自某个地方，而那个来源就是黑洞，”森德斯说。
在极其漫长的时间尺度上，这种微小但持续的能量流失导致黑洞失去质量并缓慢收缩。黑洞越小，这种效应就越显著。但对于我们所知的大多数黑洞来说，它仍然是惊人地微弱。
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一个黑洞需要多长时间才能死亡？
那么一个黑洞完全蒸发到底需要多长时间呢？这取决于它的大小。一个与我们太阳质量大致相当的黑洞，大约需要10^67年才能消失。然而，黑洞质量越大，这个过程就越慢。位于星系中心的超大质量黑洞则需要接近10^100年（即一个古戈尔年）才能消失。
“我们实际上并不知道确切的答案，”森德斯说，“因为我们无法探测到霍金辐射，而且它太微弱了，我们很可能在有生之年都无法探测到它。”
但她指出，一个黑洞死亡所需的时间“远远超过了宇宙年龄的好多倍”。
霍金辐射的微弱性使其在我们今天能观测到的黑洞中几乎不可能被探测到。
“所提出的霍金辐射被认为极其微弱，”森德斯说，“以至于它会被任何落入黑洞的物质所产生的辐射所掩盖。”
探测黑洞的蒸发
如果我们想捕捉到黑洞蒸发的过程，我们最好的选择可能是寻找小得多的黑洞。物理学家提出，原初黑洞——在宇宙早期形成的微小天体——可能仍然存在。因为它们非常小，所以它们的温度也会高得多，并可能在比当前宇宙年龄更短的时间尺度上蒸发。
理论上，这些黑洞的最后阶段会产生强烈的伽马射线闪光。然而，美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜已经花费多年时间扫描天空以寻找此类爆发，但至今尚未发现任何踪迹。
黑洞与宇宙的终结
霍金辐射让我们得以一窥宇宙遥远的未来。目前来看，黑洞可以被认为是基本永恒的。但在无尽的亿万年后，当恒星燃尽，星系漂离，宇宙最后一丝余光消逝之时，黑洞也将慢慢蒸发。
正如森德斯所说：“几万亿年后，宇宙将变成一个非常寒冷、黑暗、空旷的空间。趁现在，好好享受光明和星辰吧！”
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文章来源
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- 《自然》. 霍金辐射与黑洞热力学
- 美国宇航局 (NASA). 黑洞解剖
- 《天文学》. 什么是原初黑洞？
- 施普林格·自然. 来自蒸发原初黑洞的伽马射线暴
