黑洞可谓是宇宙中最为奇特、最为神秘的天体之一。爱因斯坦的广义相对论最早预言了这种天体的存在,后来天文学家观测到了一系列黑洞存在的间接证据,并在2019年首次捕捉到了黑洞的“真容”。

黑洞的特殊之处在于它们会把光吞噬掉,而且本身也不会发光,这使得它们在电磁波上是完全黑暗的,我们其实是看不到黑洞的。之所以天文学家能够拍摄到黑洞的照片,是因为有些大型黑洞周围存在发光的吸积盘,由此可以衬托出黑洞的轮廓。

黑洞的温度是多少?最高只比绝对零度高5000万分之一度-MAAMX

在宇宙中,几乎所有的天体都会发光,或者反光。无论是恒星、行星、彗星,还是诸如白矮星、中子星这样的死亡恒星,它们都是有温度的,而且温度越高,天体也会显得越亮。已知最热的恒星(WR 102)表面温度达到了21万度,而中子星刚形成时的表面温度更是高达100万度。

既然黑洞是完全黑的,那么,黑洞有温度吗?黑洞的温度是绝对零度,还是多少度呢?

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关于这个问题,首先要弄清楚黑洞究竟是怎样的一种天体。根据广义相对论,黑洞是没有实体表面的,黑洞本身的所有质量都在中心的奇点,这个奇点会极度扭曲周围的空间。在这种弯曲空间中,光也会被束缚住,这是导致黑洞不发光的原因。

另一方面,温度是微观粒子热运动剧烈程度的度量,代表的是粒子的平均动能。也就是说,只有当物体由微观粒子构成时,温度才有意义。对于没有任何粒子的绝对真空,就没有温度的概念。

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黑洞没有实体,只是由无穷小的奇点和空荡荡的弯曲空间组成,从这个角度来看,黑洞也是没有温度的概念。但有人可能会说,黑洞会摧毁靠近它们的物质,把它们撕碎成原子,最后把它们吸入到奇点之中。由此可见,黑洞内部存在大量粒子,所以那里确实是有温度的,但这个温度并不是黑洞本身的。

霍金等一些物理学家已经在理论上证明,黑洞只有质量、角动量和电荷这三种简单的性质,其他物理属性都在黑洞形成过程中丧失掉,这就是著名的“黑洞无毛定理”,由广义相对论大师惠勒最早提出猜想。

黑洞的温度是多少?最高只比绝对零度高5000万分之一度-MAAMX

不过,从黑洞的一种特殊性质来看,黑洞从某种意义上来说又是有温度的。

根据霍金辐射,如果量子真空涨落随机出现在黑洞的边缘,由此产生一对虚粒子,负能粒子掉进黑洞中,正能粒子则会脱离黑洞。正常而言,正负能粒子会发生湮灭。但如果黑洞吸收了负能粒子,就会导致它自身的质量被正能粒子带走,所以黑洞的质量会随着霍金辐射而变得越来越低。

黑洞的温度是多少?最高只比绝对零度高5000万分之一度-MAAMX

由于霍金辐射的存在,黑洞是有热辐射的。根据这样的原理,可以推导出黑洞的温度为:

黑洞的温度是多少?最高只比绝对零度高5000万分之一度-MAAMX

从上式可以看到,黑洞的温度只与质量有关,具体而言,两者成反比例。黑洞的质量越大,温度越低。对于质量最小的恒星级黑洞(3倍太阳质量,这是目前已知宇宙中所会存在的最小黑洞),其温度仅为一亿分之二开氏度(20 nK),也就是比绝对零度高了5000万分之一度,这是黑洞的最高温度。而对于质量达到太阳430万倍的银河系中心超大质量黑洞,其温度更是低至100万亿分之一开氏度。

黑洞的温度是多少?最高只比绝对零度高5000万分之一度-MAAMX

宇宙的平均温度比绝对零度高出大约3度,所以即便是最小最热的黑洞,其温度也是远远低于宇宙的平均温度。因此,黑洞的热辐射极小,它们完全会被淹没在宇宙微波背景辐射之中。