白洞是怎么形成的呢(“白洞”是宇宙起源的源头?)
黑洞是极其密集和紧凑的物体,光线无法逃离其中。天文学中普遍认同黑洞的存在,并且许多天文物体都被认定为是黑洞。
然而,一项令人震惊的新理论正在崭露头角,称之为"白洞大爆炸"。这一理论挑战了传统的宇宙起源观念,提出了一个惊人的观点:白洞是宇宙起源的源头。这种论断引发了一个更为深奥的问题:白洞又来自哪里?
什么是白洞
白洞通常被理解为黑洞的时间完全逆转,也可以理解成它们应该持续地抛弃物质。然而,人们普遍认可持续的质量喷射会产生引力压力,形成黑洞,从而导致“白洞的死亡”。到目前为止,我们还没有任何成功标记过天文源为白洞的记录。
理论上可以解释的唯一已知的白洞是宇宙大爆炸,而它也是瞬时发生的,不是连续或持久存在的。
因此,有学者认为白洞,称之为“小爆炸”的出现,是自发的,在此种状态下所有物质都在一个脉冲中被抛出。而与黑洞不同的是,白洞不能持续观察,而只能在物质本身周围检测到其效应。伽玛射线暴是宇宙中能量最强大的爆炸事件,长伽玛射线暴与超新星爆发相关联。
有一类新的伽玛射线暴相对接近地球,但令人惊讶的是它们缺乏任何超新星的辐射,因此有人提出将这些爆发事件与白洞相联系。
亦有说法认为,白洞似乎是解释出现在虚空中的伽玛射线暴的最佳理论,同时还有学者预测将探测到能量远高于通常观测值的罕见巨大伽玛射线暴。
白洞理论的兴起
在恒星中,向恒星中心运作的引力力量与相反方向推向外部的气体和辐射压力之间存在着一个微妙的平衡。
在老年恒星中,恒星核心的核聚变停止,从而引发了因重力而发生的坍缩。而在中子星中,电子被压缩到原子核内,与质子结合形成中子。然后,由退化中子的压力停止了坍缩。对于更大质量的恒星,这个过程没有阻碍,坍缩将持续进行,直到最终形成黑洞。
在黑洞中,光线被困在事件视界内,从而解释了这个术语的起源。在没有其他已知能够停止坍缩的力量的情况下,在黑洞中的物质都被集中在一个具有无限密度的单一点上,或者说,事件视界内部的任何物质都失去了物理属性讨论的意义,黑洞中的这个单一的假设性中心点就是我们所说的“奇点”。
同时,人们普遍认为我们身处的宇宙在约137亿年前由宇宙大爆炸诞生,现在有广泛的间接观测证据都在证明黑洞的存在。黑洞通常存在于双星系统中,学者们通过观测伴星的轨道运动来估算被遮蔽的黑洞的质量。
甚至有人认为大多数、或者所有的星系都在其中心拥有一个巨大的黑洞。某些观测到的超新星爆发类型被认定为大质量恒星的最终陨落,并且超新星现象与高能γ射线爆发的探测相关联。
学者们对黑洞的理论发展推演出了白洞存在的假说,与吸引物质的黑洞相反,白洞会从奇点中溢出物质。这些物体被描述为“滞后核心”,是最初的宇宙大爆炸的一部分,并且在扩张过程中发生了长时间的延迟。
白洞被理解为黑洞的时间逆转,因此人们最初认为它们应该持续地抛弃物质,这也注定了理论上白洞比黑洞更容易被探测到。起初白洞甚至被提议作为宇宙中最明亮的物体——类星体和活动星系核的解释。
然而,经过研究后学者们得出结论:在持续喷射物质的白洞中,由于其引力力量,事件视界处将形成一层蓝色的高速加速物质。白洞与这些吸积物之间的引力相互作用将导致白洞的辐射指数级的抑制,最终导致的结果将是白洞的死亡,并伴随着一个黑洞的产生。
事实上,尽管已经有强有力的证据证明了黑洞的存在,但迄今为止还没有一个天文对象被确凿地认为与白洞相关联,人们对于白洞的研究还仅仅处于理论阶段。
有人提出宇宙本身是一个白洞,一些学者相信,如果宇宙的诞生,即宇宙大爆炸被看作是一个巨大的白洞,那么一个较弱的白洞,也可以称之为“小爆炸”,应该表现得与其类似。宇宙被认为在一个突然的瞬间诞生。
同理,白洞的出现也应该是即时的。在这个事件发生之前,白洞在时空中应当没有明确的坐标,因此对其预定喷发位置的环境没有引力影响。这就与以前的说法相反,白洞不会在很长一段时间内不断溢出物质。
相反,就像宇宙本身的诞生一样,这个过程应该是突然的、不可预测的,只发生一次,避免白洞的预期死亡的最好方式是在一个瞬间抛出所有物质。
学者们普遍认为白洞不能像黑洞一样被持续观测,它们只能在出现后不久被检测到。
因此可以理解为白洞不是真正的天文物体,它们只是一个短暂的窗口,即一次性地喷发出物质或能量。
当大量质量被抛出时,通过质量表现出来的引力力量可能最终导致坍塌,最终形成一个黑洞,正如以前所得出的结论一样。但白洞在诞生后无法被摧毁,因为它们的出现是瞬时的,就如同生命的诞生——婴儿可以死亡,但生命的诞生本身不会消失。
白洞的检测
那么白洞如何被检测?根据白洞的概念可以推出它们应该具有极高的能量,并且强度范围很大,速度也非常快,可以在空间的任何地方出现。
白洞可以在宇宙早期阶段诞生,或是随后在宇宙演化过程中产生,甚至在今天也可能存在。此外,它们出现在密集地区或孤立地区的概率也是相同的,所有这些要求都在γ射线暴中得到满足。
大约40年前首次探测到伽玛射线暴(GRBs)。它们是宇宙中自大爆炸以来能量最强大的爆炸事件。关于GRBs的形成,学者们提出了许多模型,其中就包括白洞。
通过卫星进行的广泛观测将GRBs分为两类:短时GRBs——其γ射线持续时间不到两秒;和长时GRBs——其γ射线辐射可以观测到约一千秒。
许多长时GRBs与超新星爆发相联系,现在普遍认为长时GRBs发生在大质量恒星的末期阶段,即大质量恒星爆炸并表现为超新星时。
短时GRBs是由两颗紧凑恒星解释的,例如一个中子星与一个黑洞,或者与另一颗中子星的合并。长时GRBs比短时GRBs距离更远,因此也携带更多的能量。
观测表明,宇宙中还存在第三类新的GRBs。该类的典型代表是GRB 060614。其γ射线持续时间约为102秒,类似于长时GRBs,但与短时GRBs有许多相似的观测特征。尽管其较小的红移(z=0.13)意味着其距离观测者相对较近,但从源头没有观测到任何已知类似超新星的爆发,且比典型的SN 1998bw黯淡数百倍。
因此,有学者提议GRB 060614以及其孪生体GRB 060505属于一类需要新型爆发模型的爆发体,这样一种新的模型就为这些GRBs提供了解释。
其中也一些合并案例,比如一个巨大白矮星和一个中子星的合并就会产生伴随无超新星的长时GRBs。也有人提出GRB 060614可能是由中等质量黑洞撕裂一颗恒星而产生的。
新的GRB群以及许多其他GRBs可以通过白洞的瞬时诞生伴随的大量的物质抛射来解释。白洞的爆发,或者说同样也发生在超新星和紧凑恒星合并中说潜在的黑洞形成,都可以解释观测到的γ射线辐射以及GRBs的其他观测现象。
而白洞事件与超新星爆发无关,因此这个模型很容易解释新类GRBs成员中缺乏超新星特征的现象。
白洞理论的提出似乎是解释出现在孤立区域或虚空中的GRBs的自然解释,而各种组合恒星的合并场景应该只会发生在密集区域。
甚至有学者进一步提出,高红移的无超新星GRBs中缺乏超新星辐射这一点,可以通过观测上的不完善来解释,这种现象也可能是白洞存在的证明。
对于GRB 060614,γ射线流量为2 x 10^5 ergs cm^-2,相当于在GRB自身的1 keV - 10 MeV范围内释放了约1 x 10^51 ergs的各向同性γ射线能量。对于辐射效率为0.1,各向同性动能为1 x 10^52 ergs。这意味着白洞的质量很低,约为太阳质量的0.005倍,因此该GRB可能代表一个白洞,其喷发物质的量近似是太阳质量的一小部分。
如果白洞确实存在,那么它们就应该像黑洞一样,可以在各种尺度上被找到,不论是从低于太阳质量尺度,还是到典型星系质量,甚至高达几个宇宙的质量。如果银河大小的白洞可以爆发,它们应该在一个瞬间抛出所有物质,就像宇宙大爆炸和低质量白洞一样。
然而,需要注意的是,与质量的分布类似,白洞的频率随着质量的增加而急剧下降,也可能随着宇宙大爆炸后的时间推移而下降。
再加上白洞出现的短暂窗口,就可以解释为什么巨大的GRBs在宇宙中并不经常被观察到。预测将会存在能量远大于目前观测到的GRBs的情况,但这些可能非常罕见。
结语
虽然我们在探索白洞起源的问题上仍然没有得出确切答案,但这种新理论为宇宙起源的解释带来了全新的可能性。它唤醒了科学家们对于宇宙中未知领域的好奇心,激发了更深入的研究与探索。
无论如何,宇宙的奥秘不断激励着人类探索的脚步,让我们对知识的追求永不停歇。或许在未来的某一天,我们将站在更高的科学高度,领悟到宇宙诞生的真相,彻底改变我们对存在意义的认知。