黑洞内部的压力有多大

耶鲁大学领导的一项新研究表明，一些超大质量黑洞实际上在压力下茁壮成长。众所周知，当遥远的星系及其核心内超大质量黑洞聚集成星系团时，这些星系团会创造一个不稳定、高压的环境。落入星系团的单个星系通常在这个过程中变形，开始像宇宙水母一样。奇怪的是，强烈的压力压制了这些星系中新恒星的产生，并最终关闭了以附近星际气体为食的正常黑洞。

但在此之前，黑洞最后一次享受了气体云和偶尔出现的恒星盛宴。研究人员还提出，这种快速进食可能是这些环境中最终缺乏新星的原因，在黑洞的驱动下，气体“外流”可能会阻止恒星的形成。发起这项研究的天体物理学家普里亚姆瓦达·纳塔拉扬(Priyamvada Natarajan)表示：我们知道，中心超大质量黑洞的进食习惯，与宿主星系中恒星的形成有着错综复杂关系。

准确地理解它们如何在不同的更大范围环境中运行一直是一个挑战，研究揭示了这种复杂的相互作用，其研究成果发表在《天体物理学》期刊上。第一位作者是安吉洛·里卡特(Angelo Ricarte)，他曾是纳塔拉扬实验室的成员，现在哈佛大学，他在耶鲁大学读博士时就开始了这项研究，共同作者是耶鲁天文学中心和华盛顿大学的天体物理学奖博士后助理Michael Tremmel和Thomas Quinn。

这项新研究增加了纳塔拉扬研究小组关于超大质量黑洞如何在各种宇宙环境中形成、增长并与其宿主星系相互作用的重要研究。研究人员使用RomulusC对星系团内的黑洞进行了复杂的模拟，RomulusC是Tremmel、Quinn和其他人开发的一种宇宙学模拟。Ricarte开发了从RomulusC语言中提取信息的新工具，在分析星团模拟中的黑洞活动时，注意到“一旦宿主星系停止形成恒星，就会发生一些奇怪的事情。

令人惊讶的是，研究人员经常在星系死亡的同时发现黑洞活动的峰值，那个“高峰”将是黑洞在压力下的最后一次盛宴。RomulusC的独特之处在于：它精细分辨率和处理超大质量黑洞及其环境的详细方式，使研究人员能够追踪它们的生长。星系团的致密环境可以从根本上改变正在坠落的星系物质。新的观测发现，“水母星系”内有大量的活跃星系核(AGN)。

“水母星系”是指尾部有气体和恒星的星系，它们显示出明显的冲压剥离。活跃星系核和柱塞压力剥离之间的关系还不是很清楚，但研究首次使用迄今为止对星系团最高分辨率模拟之一的RomulusC模拟，在完全宇宙学的背景下研究了活动星系核活动和冲压之间的联系。对于质量较低的星系，恒星形成和黑洞吸积在到达近心之前都受到冲压的抑制。

而对于质量较大的星系，在近心通过过程中对黑洞的吸积会增强。研究分析还表明，只要星系保留气体，就更有可能在经历更高冲压的星系中被发现。研究得出的结论是：在星系“熄灭”恒星形成之前，冲压触发了对黑洞的增强吸积，在模型中，由于活动星系核的反馈，黑洞产生了加热和外流。这些模拟表明，活动星系核的反馈反过来可能有助于恒星形成的猝灭，同时伴随着冲压。

黑洞是目前宇宙中已知的引力最大的一种天体，黑洞的引力是因为其强大的质量，由于黑洞是通过大质量恒星超新星爆炸而形成的，这导致黑洞的质量也是很大的，再加上黑洞会不断的吸收周围的物质，所以黑洞的质量一直处于不断的增加之中，提起质量，往往我们会想到另外一个物理量：体积，通常来说，我们讲的黑洞的体积是指的黑洞事件视野的大小，事件视野是指：黑洞会将光吸收进去，所以在黑洞外围会形成一个光线无法逃逸的界限，也就是黑洞的光能传播的最远距离，由于事件视野的阻碍，所以我们无法观测到黑洞内部的真实情况，那么事件视野内的黑洞实体究竟是有多大呢？

目前主流的物理理论认为黑洞的实体应该是一个奇点，奇点代表着什么呢？这里要简单的谈一谈黑洞的形成过程，当恒星发生超新星爆炸时，恒星会重力的作用下向内快速坍缩，恒星的质量越大，向内坍缩的压力就越大，过程也就越激烈，强大的压力会碾碎物质的基本构成，中子星就是恒星发生超新星爆炸时，强大的压力将物质碾碎成了构成物质的最基本粒子—中子而形成的，如果恒星的质量再大一些，那么向内坍缩的压力就会越大，这种难以想象的压力会将中子这种最基本粒子都全部碾碎，最终形成一个体积趋近于无限小的点，即奇点，我们可以将其理解成为物理学中提到的质点，通常我们研究黑洞时仅仅会考虑三个物理量，即质量、角动量、电荷，将黑洞的体积形状选择忽略不计，或者说由于我们无法进入黑洞，所以我们无法观测黑洞的体积究竟有多大，所以我们就能将其理解为体积是无限小的。

体积无限小？这是一个很有意义的概念，但这个推断有一个致命的缺点，因为无限小只能在数学上实现，但是在生活中我们似乎找不到任何一种存在无限小的物理量，就连宇宙中最低温度—绝对零度都有一个明确的数值，即零开尔文，所以无限小在现实中是根本讲不通的。

黑洞体积无限小除了与现实不符，它还与量子力学发生了根本性的矛盾，量子力学的基础就是量子化，即存在最小单位的物理量，最早在1900年由德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时提出的，普朗克常数是物理学中一个十分重要的物理量，量子力学认为不存在无限小的物理量，体积、质量、时间、能量都存在着最小单位，量子化的概念是构成微观世界的基本，也被众多的物理实验所验证，但是黑洞体积无限小这个概念却与量子力学相矛盾，准确的说是整个经典物理学与量子力学无法相容的问题，两者虽然无法相融，但两者同时还是研究宏观世界与微观世界的真理，所以物理学家只能勉强的解释为两种物理体系都不完备，一定存在着一种可以将两者统一的大统一物理学，目前比较流行的弦理论被寄予厚望。

黑洞内会发生什么？ 这个问题长期困扰着天文学家。他们提出了许多理论，也存在许多问题。黑洞的引力是如此之强，以至于没有任何东西可以逃脱，即使是光线也如此。这导致了“信息悖论”的问题，即，在黑洞当中，信息可能永远消失，这并不符合我们的物理定律。

但在几年前，科学家提出了一个非常规的新理论：黑洞不是我们所想的那样，而是包含一个被称为“普朗克星”的物体，崩溃的恒星会随着时间慢速反弹 ，从视野中浮现。

2021年，法国马赛大学的天文学家卡洛·罗维利与荷兰奈梅亨大学的弗朗西斯卡·维多托在论文中提出了普朗克恒星的想法，两位天文学家认为，这就是黑洞的核心。

在黑洞内部，普朗克星是相对微小的物体，它负责将所有掉入黑洞中的物质信息存储起来。随着黑洞的蒸发和其引力边界（即事件视界）的缩小，它将最终与这颗普朗克星相遇，并在剧烈事件中爆炸，然后使信息逃逸到太空中，从而解决了信息悖论。

普朗克星的形成与黑洞的形成几乎相同。当一颗巨型恒星在其寿命尽头耗尽燃料时，就会形成黑洞。 由于没有向外的压力来抵消引力作用在这颗恒星上，它将坍缩成一个奇点并产生一个黑洞。然而，罗维利和维多托认为，这可能还不是故事的结束。他们认为，黑洞是大质量恒星的爆炸过程，就像超新星爆炸的一样，这种爆炸伴随着其事件视界在很长的范围内逐渐缩小。

维多托说：“从某种意义上说，黑洞的形成就是在创造视界的过程。但在黑洞内部，崩溃仍在继续发生，并且在某个时刻，黑洞将拥有新的量子起源力来平衡收缩。因此，与其让收缩永远持续并产生奇点，不如让这些新的力量触发一个可能成为扩张的新阶段。在某个点对应于最大收缩的物体就是我们所说的普朗克星。”

普朗克星理论认为，在黑洞中不存在奇点，而有一个普朗克星，塌陷的物体可能不会被压碎到奇点，而是当体积达到特定的质能密度时会达到亚稳平衡点。想象一下，如果将14个太阳的质量压缩到一个原子核大小的空间中，将需要什么力进一步压缩它？两位科学家认为，由于引力的极端向内力被来自量子真空能量密度的强大排斥力所平衡，因此实现了这种平衡。量子引力现象在比普朗克数大得多的尺寸上变得有意义，这是因为，尽管引力塌陷物质的体积比普朗克直径大得多，但一立方厘米空间的普朗克密度的能量却非常大。由于量子引力是能量密度的直接结果，因此量子引力排斥力将以相对较大的大小发生，以平衡引力坍塌的内向挤压力。预计该量子压力将以大约亚原子尺度的大小发生，经过计算，一个逐渐坍塌的黑洞在某个临界点会停止并反弹回去。

最终，这个事件视界到达了黑洞的中心，在那儿，原始恒星的残骸被压成一个很小的点，其大小小于一米的万亿分之一的万亿分之一，即普朗克长度，这是物理上最小的可能长度。 一旦事件视界达到这一点，坠入的事件视界就会再次反弹，恒星将其物质释放到太空中。 这个事件本来应该很快，但是它的强烈引力导致了所谓的时间膨胀，从我们的角度来看，一切进展都比实际要慢。 因此，当我们观察一个普朗克恒星时，我们看到的是一个巨大的恒星基本上以慢动作塌陷和反弹的过程。从我们的角度来看，整个过程需要数十亿年的时间，具体取决于黑洞的大小。

2021年上映的科幻电影《星际》中有这样一个情节，主角们参观了绕黑洞运转的行星，由于巨大的引力，那里的时间流逝更加缓慢。基本上，这是由于引力红移引起的时间膨胀，这是广义相对论预测的一种现象。如果您正在坍缩的恒星上，会发现普朗克星的反弹非常快。 但是从外面看，引力时间膨胀很大。

普朗克星是完全不寻常且不稳定的物体，被浓缩成一个原子大小。普朗克恒星理论基于这样的思想：黑洞在其核心处具有事件视界并且具有接近无限质量和密度的点（奇点）。信息悖论假定，我们不可能了解任何奇点的情况，因为其强大的力量，任何东西都无法逃脱这个奇点。但是，如果黑洞实际上是在崩溃和反弹过程中的普朗克恒星，则可以解决这个矛盾。

普朗克星的出现相当于为宇宙终结提出的一种“大紧缩”理论。 现在已知我们的宇宙正在加速扩张，但是科学家曾经认为扩张可能会开始放缓，最终导致宇宙崩溃。普朗克星导致被称为“大弹跳”的大爆炸发生，而宇宙中的所有物质都将被压缩为奇点，一旦宇宙达到所谓的普朗克长度，它将在新的大爆炸中再次反弹，重新启动宇宙。

当前物理学中面临的一个突出的问题是，我们的拥有两个主要理论，量子力学和引力学，两者无法调和。前者以很小的规模来解释事物，而后者则以很大的规模来解释事物，但是很难使它们相互配合。 一种解决方案是“回圈量子引力论”，即时空实际上由许多较小的部分或环组成。这一理论表明，宇宙是无限的，并且一直存在，利用与普朗克星相同的方式在众多的大反弹中反弹。

反弹理论起源于在量子引力框架内解决问题的想法。我们拥有的宇宙不是从一个单一的角度出发的，而是一个先前的宇宙正在崩溃。然后达到普朗克密度，然后弹回我们的宇宙。

维多托认为，回圈量子引力理论也可能有助于计算普朗克星的寿命。她说：“存在一个开放性问题，即，这些物体的寿命是多长？普朗克星的寿命有多长？ 为了回答这一问题，我们需要一个量子引力理论来进行计算。”

虽然现在宇宙大爆炸理论已被宇宙的热死理论（宇宙将继续以加速的速度膨胀，直到原子自身破裂为止）所取代，但它确实很适合普朗克星理论。

黑洞的普朗克星理论想法与“白洞”相似。白洞本质上与黑洞相反，它是所有东西都逃脱而不是被困住的地方。这种扩张阶段就像爆炸一样，意味着如果黑洞已经发展到其生命的这个阶段，那么就有可能看到这样的扩张，反弹，和逃脱事件。 维多托说：“这是可以观察到的，这为调查黑洞开辟了新的可能性。我们预计黑洞大爆炸不会是黑洞的终结，我们希望它会有一个新的残留阶段，就像黑洞的灰尘。”

英国已故的理论物理学家斯蒂芬·霍金提出了黑洞可能以某种方式蒸发的想法，他说黑洞可能能够以霍金辐射的形式泄漏信息，为信息悖论提供了潜在的解决方案。霍金的理论主张，黑洞将逐渐蒸发，泄漏出越来越多的霍金辐射，直到其完全消失。 但是，普朗克星理论对此进行了更进一步的研究，表明逸出的不仅是霍金辐射，还包括普朗克星反弹阶段结束后的所有东西。

普朗克星理论的问题在于，这一过程预计将花费数十亿年，因此很难进行测试。从理论上讲，它非常好。但在实际情况下很难证明它。唯一的机会是其中一些物体已经蒸发很长时间了，它们是在宇宙开始时形成的小块，现在它们处于蒸发的最后阶段，它们可能导致您在天空中看到的一些爆炸。此类事件将以伽马射线暴的形式出现， 其中一些被认为是两个物体合并在一起时产生的，例如中子星和黑洞。当超巨星变成超新星时，它们也可能产生伽马射线暴。 但是，如果黑洞中确实包含有普朗克星，则某些伽马射线爆发可能是早期宇宙爆炸产生的原始黑洞的结果。

支持普朗克星理论的科学家认为，反弹将持续数十亿年，所以现在您可以看到普朗克恒星爆炸其实形成于早期宇宙中，就像超新星一样，我们现在可以从这些爆炸中看到相关信号。

普朗克星的概念仍然存在争议。首先，很难证明它们的存在。寻找早期宇宙线索以发现原始黑洞是困难的任务。尽管理论上解释得通，但要找到它们却困难得多。宇宙大反弹的理论似乎也与我们对宇宙的许多观察背道而驰，我们目前的观测证明，宇宙在飞速膨胀。

维多托希望普朗克星确实存在，科学家们正在继续努力研究这种理论，并进行观测黑洞以寻找它们。她说，研究人员正在开发新的回圈量子引力论工具，这些工具可用于预测普朗克星的某些性质。

她说：“普朗克星理论汇集了一些旧的想法，但是以一种全新的方式开辟了新的研究方向，这是我相当确信的东西。”

黑洞的内部属于负压 其力度或压强 要根据原本塌缩的或者死亡的星体的大小和质量来计算 而且内部的压力和压强与黑洞形成的时间成反比 也就是说如果一个星体塌缩形成黑洞以后 随着这个黑洞逐渐吞噬 物质来弥补内部的空间 使得内部的负压逐渐减小到最后黑洞死亡