如果有一個黑洞來到太陽係,吃掉了太陽,行星還能存在嗎?
來源:時空通訊
發布時間:2022-06-30
瀏覽次數:2016

版權歸原作者所有,如有侵權,請聯係我們(men)

本文基於(yu) 回答網友問題:假如黑洞將太陽吞噬,太陽係將會(hui) 怎麽(me) 樣?

要說清這個(ge) 問題,還得從(cong) 黑洞是什麽(me) 說起。

黑洞是宇宙天體(ti) 的頂級屍骸

天地萬(wan) 物所有的物體(ti) 都有生命周期,都會(hui) 死,死後都會(hui) 留下個(ge) 屍骸。宇宙天體(ti) 也一樣,所有天體(ti) 都有一個(ge) 演化周期,最終都會(hui) 死去,留下一具屍骸。恒星的屍骸有黑矮星、白矮星、中子星、黑洞。黑洞就是宇宙天體(ti) 屍骸的唯一“老大”,沒有之一。

在人們(men) 認知中,已經死去的遺體(ti) ,除了汙染和腐爛,一點用處也沒有,也不必害怕。但在神鬼傳(chuan) 說中,人的屍骸卻可以變成厲鬼或好鬼,還能夠與(yu) 人互動,有時還會(hui) 詐屍,危害人間。但這畢竟隻是傳(chuan) 說,沒有任何證據證明這些玩意真的存在。

但黑洞真的會(hui) “詐屍”,且可以吞噬一切。無論什麽(me) ,不管這個(ge) 天體(ti) 是比它大還是比它小,隻要靠近它都會(hui) 毫不留情地被吃掉,最後一點渣子都不留,連每秒30萬(wan) 千米的光也無法逃逸。

黑洞的吃相有一個(ge) 最大特點,就是吃起天體(ti) 物質會(hui) 光芒四射,激起強大的能量噴流,這些能量爆發,就像被吞吃的天體(ti) 靈魂在拚命的掙紮和尖叫:救命啊~

正因為(wei) 黑洞這種吃相,才能被人類觀測到。如果黑洞不吃不喝,就躲在幽暗的太空,像不存在一樣,將完全看不到。當然,如果周圍有天體(ti) 進入它的引力場,會(hui) 產(chan) 生奇怪的運動,科學家們(men) 就會(hui) 知道在那個(ge) 看不見的空間,可能有一顆蟄伏的黑洞。

黑洞是如何形成的?

黑洞是在極端條件下,將自身質量壓縮進一個(ge) 臨(lin) 界點導致的後果。1916年,天文物理學家卡爾·史瓦西根據愛因斯坦廣義(yi) 相對論,發現了質量這個(ge) 臨(lin) 界點及其規律,得出了一個(ge) 公式,人們(men) 把它叫做史瓦西半徑公式,表述為(wei) :R=2MG/C^2。

任何物體(ti) 隻要將自己的全部質量壓縮進這個(ge) 臨(lin) 界半徑,質量就會(hui) 無限坍縮到核心一個(ge) 無窮小的奇點,周圍會(hui) 形成一個(ge) 無限曲率的球狀空間,包裹著這個(ge) 奇點,這就是黑洞。人們(men) 把這個(ge) 球狀空間稱為(wei) 史瓦西半徑。

無論是粒子、原子等微觀物體(ti) ,還是星球等宏觀天體(ti) ,都有自己的史瓦西半徑,理論上都能夠成為(wei) 一個(ge) 黑洞。史瓦西半徑有多大呢?根據史瓦西半徑公式計算,太陽這種質量的天體(ti) ,史瓦西半徑約為(wei) 2952米;地球這種質量的天體(ti) ,史瓦西半徑約8.9毫米。

但要變成黑洞的條件十分苛刻,需要極大壓強,因此,宇宙中沒有任何力量可以將太陽和地球壓縮成黑洞。研究認為(wei) ,隻有宇宙大爆炸和大質量恒星才有這種能量。科學家們(men) 企圖用極大能量,在大型對撞機中將粒子加速到接近光速時對撞,製造出一個(ge) 粒子質量級別的微型黑洞,迄今為(wei) 止還沒有成功,或者說沒有觀測到。

現在宇宙中觀測到的黑洞,隻有恒星級黑洞和超大質量黑洞。恒星級黑洞是達到太陽質量30~40倍以上的恒星,在演化晚期核心核聚變停止,隻留下一個(ge) 鐵核,經過超新星大爆炸,極大的壓力下將鐵球壓縮成為(wei) 黑洞。

所有星係中心幾乎都有一個(ge) 超大型黑洞,質量在太陽的數百萬(wan) 倍到若幹億(yi) 倍。如銀河係中心的人馬座A*黑洞,是太陽質量的430萬(wan) 倍;被拍到第一張照片的M87星係中心黑洞,是太陽質量的65億(yi) 倍;已發現宇宙中最大的黑洞SDSS J073739.96+384413.2,為(wei) 太陽質量的1040億(yi) 倍。

恒星級黑洞雖然由於(yu) 不斷吞噬著靠近的天體(ti) 物質,會(hui) 慢慢長大,但要長到這麽(me) 大是很難的。因此這些超大質量黑洞一般被認為(wei) 是宇宙大爆炸後,巨大的星雲(yun) 物質直接坍縮成為(wei) 的黑洞。理論上認為(wei) ,宇宙大爆炸開始時會(hui) 產(chan) 生許多微型黑洞,但迄今為(wei) 止沒有發現存在的證據,或許是早就蒸發殆盡了。

為(wei) 什麽(me) 黑洞通吃一切?

宇宙中,已知最大的恒星r136a1是太陽質量的200~300倍,最小的黑洞隻有太陽質量的3倍。但即便是r136a1遇到黑洞,也隻有被吞噬的結果。為(wei) 什麽(me) 黑洞有如此能耐呢?就是因為(wei) 黑洞的引力很極端。

萬(wan) 有引力定律表述為(wei) :F=GMm/r^2。這裏的F表示萬(wan) 有引力值,G為(wei) 引力常量,M和m為(wei) 引力相互作用兩(liang) 個(ge) 大小物體(ti) 的質量,r為(wei) 物體(ti) 質心之間的距離。這個(ge) 公式告訴我們(men) ,引力大小與(yu) 物體(ti) 的質量成正比,與(yu) 距離平方成反比。也就是說,引力是物體(ti) 之間的相互作用,質量越大引力越大,而隨著物體(ti) 之間距離擴大,引力會(hui) 呈指數級衰減。

觀測和研究發現證明,任何有質量的物體(ti) 都遵循這個(ge) 規律。黑洞雖然很怪,但同樣是有質量的天體(ti) ,因此也遵循這個(ge) 規律。所以,理論上說,黑洞與(yu) 任何天體(ti) 的引力是一樣的,在同等質量和同等距離,引力一樣大。

那黑洞為(wei) 什麽(me) 引力會(hui) 如此極端,可以吞噬掉一切呢?這是因為(wei) 黑洞的質量被壓縮到極小,壓進了質量的史瓦西半徑以內(nei) ,時空曲率就變得無窮大了。這樣,任何物質一旦進入那個(ge) 球狀空間,就都逃脫不了被吃掉的命運。

根據引力公式計算,質量為(wei) 1.9891*10^30kg的太陽,現在半徑約為(wei) 69.6萬(wan) 千米,其表麵引力約為(wei) 270N·m^2/km^2;而當太陽同等質量被壓縮到史瓦西半徑內(nei) 時,半徑隻有2952米,其史瓦西半徑的臨(lin) 界引力就達到15萬(wan) 億(yi) N·m^2/km^2了。

根據逃逸速度公式v=√(2GM/R)計算,太陽表麵逃逸速度為(wei) 617.7km/s(千米/秒),但如果太陽變成黑洞,在史瓦西半徑臨(lin) 界點的逃逸速度就達到光速了,進入到史瓦西半徑後逃逸速度就大於(yu) 光速了。所謂逃逸速度,就是達到這個(ge) 速度,才能從(cong) 某個(ge) 天體(ti) 引力中逃出。

宇宙中光速是最快的速度,黑洞裏的逃逸速度大於(yu) 光速,沒有任何物質運動速度能夠達到光速,就說明進入黑洞的物體(ti) ,都無法逃脫。這就是黑洞通吃一切,光也無法逃逸的原因。

所以,從(cong) 引力大小來看,黑洞和所有天體(ti) 一樣都是與(yu) 質量成正比的,但由於(yu) 黑洞表麵距離核心質點太近,在靠近其史瓦西半徑時引力就會(hui) 極端,而任何其他天體(ti) ,表麵都與(yu) 引力核心相對較遠,一旦靠近黑洞,表麵引力就無法與(yu) 黑洞表麵抗衡了,就隻有被吞噬的命運了。

而在遠離黑洞的地方,其他天體(ti) 的引力就與(yu) 黑洞完全平等了,都是與(yu) 質量成正比的。在一顆比黑洞質量大的恒星麵前,黑洞也會(hui) 受到恒星引力牽製,圍繞著恒星或相互圍繞著公轉。

黑洞史瓦西半徑的邊緣,是可觀測和不可觀測的臨(lin) 界點,叫做事件視界,人類能觀測到的黑洞所有“事件”,都在事件視界之外,物質一旦進入到史瓦西半徑裏麵,就全都消失了。

黑洞在吞噬天體(ti) 物質過程,會(hui) 先將所有物質全部粉碎,這些碎為(wei) 基本粒子的物質圍繞著高速旋轉的黑洞赤道形成一個(ge) 吸積盤,在每秒數萬(wan) 公裏的碰撞中,迸發出巨大能量,以耀眼的可見光和高能射線、物質噴流方式,噴射到太空。

這就是黑洞發光,能夠被人類看到並且拍照的原理。

黑洞吞噬恒星的過程

黑洞吞噬恒星的過程,不是像某些網友想象的那樣一口就吞掉的,而是當被捕獲的天體(ti) 靠得越來越近時,會(hui) 相互圍繞著旋轉,進入黑洞極端引力場後,恒星表麵氣體(ti) 就會(hui) 被黑洞慢慢剝離,就像龍卷風一樣,吸食到自己的史瓦西半徑附近,形成吸積盤,再細嚼慢咽的慢慢吃掉。

一般恒星級黑洞(就是較小黑洞),吞噬物質的速度並不快。一顆3倍太陽質量的黑洞,要吃掉一顆像太陽這樣大的恒星,需要幾億(yi) 年甚至幾十億(yi) 年。越大的黑洞吞噬恒星的速度越快,如太陽質量430萬(wan) 倍的人馬座A*黑洞,吞噬一顆恒星的速度也需要上萬(wan) 年;而質量為(wei) 太陽65億(yi) 倍的M87星係黑洞,吃掉一顆恒星隻需要10年。

目前發現的宇宙最大黑洞,如質量為(wei) 太陽的660億(yi) 倍TON618的黑洞,還有前麵說的1040億(yi) 倍太陽質量的SDSS J073739.96+384413.2黑洞,吞噬恒星的速度則以月計,一年就可吃掉數顆到十數顆恒星。

但黑洞吸食恒星不會(hui) 囫圇吞棗全部吃掉,相當大的一部分會(hui) 被“漏掉”,就是在吃相難看的過程,產(chan) 生物質噴流和能量迸發而跑到遙遠的太空了,如科學家們(men) 觀測到人馬座A*兩(liang) 極噴流的長度達到上百萬(wan) 光年,比銀河係直徑還大幾倍,這些被噴走的物質是回不來的。

因此,科學家們(men) 認為(wei) ,宇宙年齡才138億(yi) 歲,恒星級黑洞再怎麽(me) 吃也吃不下多少恒星,宇宙超大質量黑洞不可能是恒星級黑洞靠吃恒星慢慢長大的,隻能是宇宙大爆炸初期超大星雲(yun) 坍縮而成,或者是宇宙中大團暗物質坍縮而成。

那麽(me) 黑洞來到太陽係會(hui) 發生什麽(me) 呢?

這隻能是一種假設,因為(wei) 黑洞來到太陽係的概率很小。假設真有黑洞來探訪人類,後果怎樣就要看這個(ge) 黑洞有多大了。

如果是超大型黑洞,比如銀河係核心那個(ge) 430萬(wan) 倍太陽質量黑洞,距離太陽10光年的位置,影響就很大了。根據逃逸速度公式計算,此時太陽要逃出這個(ge) 黑洞的引力,速度就需要110km/s了。

目前,太陽一直在圍繞著銀河係中心公轉,速度約為(wei) 250km/s。因此黑洞在距離10光年位置雖然還拉不住太陽,但已經會(hui) 對太陽係產(chan) 生很大擾動,各大行星運動狀態被破壞了。隨著黑洞的不斷靠近,當到達比鄰星位置時,也就是距離太陽係4.2光年,太陽相對黑洞的逃逸速度需要169km/s,受到的擾動會(hui) 越來越大。

當黑洞到達距離太陽1光年距離時,太陽位置的逃逸速度已經達到了348km/s,整個(ge) 太陽係就已經成為(wei) 甕中之鱉,再也逃不掉了。漸漸,太陽係會(hui) 以每秒300多公裏的速度向黑洞飛去,隨著距離越來越近,速度會(hui) 呈指數級加快,太陽和所有行星很快就解體(ti) 了,都會(hui) 成為(wei) 黑洞吸積盤中的高溫等離子體(ti) 了。

因此,隻要隨便一個(ge) 超大黑洞到來,整個(ge) 太陽係就會(hui) 很快崩潰消失了,不存在吞掉太陽後,太陽係還會(hui) 怎樣的問題。比人馬座A*質量大很多的黑洞,就更不用說了。

如果一個(ge) 恒星級黑洞來到太陽係,雖然是殊途同歸,最終都免不了被吞噬的下場,但過程會(hui) 有些不一樣。一個(ge) 太陽質量3倍的黑洞闖入太陽係,距離太陽係還有1光年以上的時候,太陽係木星以外的行星就會(hui) 背離太陽,都繞著黑洞轉了;太陽和金木水火等四顆類地行星會(hui) 被黑洞拉扯著靠近。

地球公轉軌道的紊亂(luan) 和速度變化,會(hui) 導致地球板塊漂移和變形,火山地震海嘯等地質災難遍布全球,生物將遭受到毀滅性打擊。隨後所有星球軌道重新洗牌,有的被黑洞撕裂而吞噬,有的可能會(hui) 形成圍繞黑洞公轉的新軌道。

太陽一定會(hui) 被撕裂,表麵等離子體(ti) 形成一條細長的火龍飛向黑洞,隨著黑洞靠近,太陽整個(ge) 崩潰,成為(wei) 黑洞的吸積盤,經過10年細嚼慢咽,最終一部分能量迸發噴流到了太空,其餘(yu) 的物質全部被黑洞吞入。

在這個(ge) 吞噬過程中,不斷爆發出巨大的能量,如果這時候地球還存在,上麵的所有生物都將被烤焦消失。當太陽被吞噬殆盡,黑洞歸於(yu) 寂滅而隱身時,引力尚在,如果地球仍然幸存,在距離黑洞2億(yi) 千米的位置,公轉速度就需要達到48km/s左右。

但此時的地球已經沒有光和熱,沉浸在一片漆黑中,溫度逐步下降到-270攝氏度左右,一切皆被凍結,成為(wei) 一顆黑暗的死星,生命將不可能重啟。



歡迎掃碼關(guan) 注深i科普!

我們(men) 將定期推出

公益、免費、優(you) 惠的科普活動和科普好物!


聽說,打賞我的人最後都找到了真愛。