所有有温度的物体都会释放辐射。请注意,随着质量的减小,温度会随之升高!根据公式计算,1个太阳质量的黑洞温度仅有60“纳度”(即温度单位1开尔文的百万分之60),没有完全到绝对零度,但已经是非常低的温度了。在60“纳度”的温度下,这个太阳质量大小的黑洞主要以1800赫兹的频率向外释放无线电波(远低于调幅收音机频段),其波长约为160千米(100英里)。
当前,宇宙微波背景辐射的温度为2.7开尔文。1个月亮质量的黑洞温度也是2.7开尔文。这意味着任何大于月亮质量的黑洞会不断地从当前的宇宙中获取质量,这是因为它们的温度低于宇宙微波背景温度,相比于通过霍金辐射所释放的能量,它们能从宇宙微波背景辐射的光子中获取更多的能量。但是随着时间的推移,宇宙微波背景温度会向着绝对零度持续下降,因而所有黑洞最终都会蒸发。
黑洞生命中的最后一秒
前文所提到的只有一秒“生命”的黑洞(质量等同于一头“蓝鲸”),其初始温度为5.6×10^17开尔文,在这仅有的一秒生命中它释放的辐射总能量能够达到5亿吨TNT炸药的能量!这一体量的能量约为地球上全部国家核武库总能量的1000倍,也是太阳能直射地球表面一天产生能量的1.4倍。如果黑洞的质量增大到两倍,它需要8秒时间才能蒸发完毕(时间按质量的三次方增加),而它释放的能量则会翻倍。
一半的能量会在最后1秒被释放,而另外一半是在前面的7秒钟内完成释放。因此,黑洞每单位时间所释放的能量会成指数增长——但对于典型的天体物理学意义上的黑洞而言,它初始时刻释放的能量是那么的微小,以至于“几乎”要花上永恒的时间才能爆发!很明显,在黑洞蒸发的最后阶段,它们会表现地像温度极高的热体,产生很多的辐射,并最终在生命的终端爆炸。需要注意的是所有的黑洞最终都会以同样的爆炸方式结束它们的生命。初始质量只能决定黑洞蒸发和爆炸所需的时间。
霍金在1974年的研究结果《黑洞爆炸?》原版中提到:
“……在黑洞生命即将终结时,能量的释放效率极其高,仅在最后的0.1秒钟就能释放出10^30尔格能量。站在天文学的角度,这或许只是一场小小的爆炸,但这其实相当于100万公吨氢弹同时发生了爆炸。”
霍金辐射到底辐射了什么?
黑洞生涯的大部分时间主要都在放射出拥有很长波长的光子(换言之,就是低频无线电波)。
中微子的静质量不为零,随着黑洞温度的升高(收缩过程中),从某个时刻起它开始同时释放光子和中微子。通常我们认为中微子的质量不到1个电子伏,当温度上升到同样不到11600开尔文(即1个电子伏)时,黑洞开始释放中微子。此时,黑洞会变“白”,就像太阳一样,它发出可见频谱范围内的光子。这个阶段(发射可见光和中微子)是在黑洞质量到达地球质量的百万分之一,或“蓝鲸”质量的50万亿倍的时候发生的,此时离黑洞爆炸尚有10^23宇宙年龄之远!
当黑洞温度达到100亿开尔文(10^10K),黑洞会辐射电子和阳电子,同时还有超高能伽玛射线。这时,距离最后爆炸时间还剩40万倍宇宙年龄,而黑洞质量已经皱缩到5600万头“蓝鲸”大小。
随着温度越来越高,更多种粒子和反粒子被辐射出来——基本上,只要黑洞的温度高到能够产生这些粒子,它就会开始放射这些粒子。欲知黑洞存在最后数个毫秒甚至纳秒时间的细节如何,取决于我们对量子引力的细节研究程度——而现阶段我们显然没有合适的量子引力理论来计算和解释这最后瞬间的细节。
原生黑洞?
就目前而言,我们还未发现宇宙中有小于1个太阳质量的黑洞存在。理论上,大爆炸时期是有可能产生相对质量较小的黑洞(原生黑洞)的。如果它们的质量范围控制得当,现阶段(大约138亿年以后)就可能发生黑洞爆炸。天文学家试过寻找它们的踪迹,目前尚未有所发现。如果要在现阶段发生爆炸,黑洞在大爆炸时期的质量大约应该是76万头“蓝鲸”,而我们的太阳质量约为10^25头“蓝鲸”。
在现阶段的宇宙中,还未有已知的天体物理过程能够产生小于几个太阳质量的黑洞。最小质量的黑洞是在超新星爆发的遗迹中形成的,但问题是如果恒星小一些,它在超新星爆发后的遗迹最终生成的会是白矮星或是中子星。只有大质量恒星发生超新星爆发,其遗迹才可能重于数个太阳质量。而质量在这个数量级的遗迹不会停留在白矮星或中子星阶段,而是会继续坍缩并最终形成黑洞。