天文科普:時空彎曲大小取決於質量還是密度,如何理解致密天體極端引力?
來源:時空通訊
發布時間:2021-06-23
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時空彎曲的日常表現是萬(wan) 有引力。

時空彎曲是質量對時空的擾動導致的,因此從(cong) 本質上來說,時空彎曲取決(jue) 於(yu) 質量大小,質量越大導致的時空彎曲就越大。有一些科學家們(men) 采用一張繃緊的床單來演示時空彎曲的直觀感受,他們(men) 將一些大小輕重不一樣的球體(ti) ,放在這張繃緊的床單上,顯示出來的狀態是質量越大的球,被壓沉的坑就越深,附近質量小的球就有掉落質量大的球深坑中的趨勢,這種趨勢表現的就是萬(wan) 有引力。

當然,床單的演示並不能完全展示出時空彎曲的狀態,因為(wei) 床單隻是平麵的,質量對床單造成影響是重力導致的壓力,隻是自上而下的;而時空是無處不在包裹著一切的,因此質量對時空的影響是全方位的,形成時空漩渦或陷阱,也是全方位的,而且會(hui) 以萬(wan) 有引力或引力波的方式被人類捕捉。

同等質量的物體(ti) ,不管是黑洞,還是恒星,還是星際物質,對同等距離的時空彎曲影響都是一樣的,這是因為(wei) 質量對時空的影響遵循牛頓萬(wan) 有引力定律,表述為(wei) :F=GMm/r^2。這個(ge) 公式裏的F代表引力大小,G為(wei) 引力常量,M和m表示相互作用的兩(liang) 個(ge) 天體(ti) 質量,r為(wei) 引力相互作用的距離。

密度對時空彎曲的影響主要表現在距離上。

一個(ge) 球體(ti) 如果密度大,這個(ge) 球體(ti) 體(ti) 積就小,球體(ti) 表麵距離引力中心就近;反之,一個(ge) 球體(ti) 如果密度小,球體(ti) 體(ti) 積就大,因此球體(ti) 表麵距離引力中心就遠。這樣,根據牛頓萬(wan) 有引力定律,在密度大的天體(ti) 表麵,引力就會(hui) 大很多,也就是導致的時空彎曲大很多。

我們(men) 用太陽來說明這個(ge) 問題。太陽質量約1.989*10^30kg,半徑約69.6萬(wan) 千米,因此太陽表麵的引力(重力加速度)約為(wei) 273.86m/s^2,逃逸速度約為(wei) 617km/s;如果太陽變成一個(ge) 黑洞,其史瓦西半徑就隻有2952米,這個(ge) 球狀空間半徑表麵就叫黑洞事件視界,在這個(ge) 臨(lin) 界點重力加速度達到51123815028901734m/s^2,逃逸速度達到光速,也就是約300000km/s。

由此可見,在同樣質量的太陽表麵和黑洞表麵,導致的時空彎曲程度是完全不一樣的,在黑洞史瓦西半徑臨(lin) 界點,時空曲率已經達到無窮大,任何非黑洞天體(ti) 一旦靠近這個(ge) 區域,都無法逃脫,連光也將被抓進去有去無回,因此我們(men) 無法看到黑洞實體(ti) ,隻能看到視界外吸積盤的光亮。

這種無窮大的時空曲率,就像一個(ge) 深不見底的漩渦,將一切吞噬到那個(ge) 深不可測的奇點裏麵。這就是所謂密度對時空彎曲的影響。

不同密度天體(ti) 表麵引力不一樣

密度越大的天體(ti) ,表麵引力越大。因為(wei) 前麵說了,同等質量天體(ti) ,密度越大體(ti) 積越小,距離引力核心就越近,導致的時空曲率或引力就趨於(yu) 越極端。

在宇宙中,恒星死亡後會(hui) 留下幾種大密度屍骸,主要有白矮星、中子星、黑洞。白矮星密度在1~10噸/cm^3,質量約太陽0.5~1.4倍,體(ti) 積約地球大小,也就是半徑約7000km左右;中子星密度約1~10億(yi) 噸/cm^3,質量在太陽的1.44~3倍以下之間,半徑約10km左右;現在發現的黑洞最小的都在太陽質量3倍以上,黑洞所有質量都集中在核心一個(ge) 體(ti) 積無限小的奇點上,因此密度無限大。

但黑洞會(hui) 在奇點周圍形成一個(ge) 球形空間,理論上這個(ge) 空間隻會(hui) 有物質路過,不會(hui) 留存物質,但這個(ge) 空間就是黑洞無限曲率影響範圍,任何物體(ti) 到達這個(ge) 空間裏,都會(hui) 被拉拽到無底深淵中的那個(ge) 奇點上。

這個(ge) 空間就叫史瓦西半徑,這個(ge) 球狀空間的半徑大小與(yu) 質量成正比,遵循史瓦西半徑公式,表達為(wei) :R=2GM/C^2。公式裏的R就是史瓦西半徑值,G為(wei) 引力常量,M為(wei) 天體(ti) 質量,C為(wei) 光速。如果要把黑洞質量平均分攤到史瓦西半徑這個(ge) 球體(ti) 積上,那黑洞的密度就是質量越小的黑洞密度越大,反之密度越小。

天體(ti) 食物鏈

所有天體(ti) 中,表麵曲率最大的是黑洞,因此表現出的引力無限大,逃逸速度達到光速;中子星表麵引力也非常巨大,逃逸速度可達15萬(wan) km/s;白矮星表麵逃逸速度可達數千km/s。

在這樣的極端環境下,恒星遇到白矮星,隻有被其吞噬的命運,但白矮星吃得太飽就會(hui) 撐破肚子,就是當白矮星質量達到錢德拉塞卡極限(約1.44倍太陽質量)時,就會(hui) 發生la超新星爆發,最終可能坍縮成一個(ge) 中子星。

而白矮星遇到中子星,就會(hui) 被中子星吸積瓦解,最後中子星吃得太飽同樣也撐破肚子,就是超過奧本海默極限(約3倍太陽質量),就會(hui) 爆發坍縮成一個(ge) 黑洞。

而黑洞是天體(ti) 食物鏈的頂級老大,什麽(me) 天體(ti) 靠近它都逃脫不了被吞噬的命運。而且黑洞永遠吃不飽,已知最大黑洞是編號為(wei) DSS J073739.96+384413.2的黑洞,質量已經達到太陽的1040億(yi) 倍,還在貪婪不停地吞噬著恒星和各種天體(ti) 物質。

時空彎曲影響最終還是與(yu) 質量成正比

這些高密度天體(ti) 無論如何極端,極端影響都是限定在一個(ge) 範圍內(nei) ,距離遠了,導致的時空曲率或者說引力就與(yu) 其他所有天體(ti) 一樣了。因此,它們(men) 的時空彎曲影響大小,或者說引力影響大小,最終還是與(yu) 質量成正比,與(yu) 距離平方成反比的,質量越大引力越大,距離越遠引力衰減得越快。

這就是太陽係、地球能夠在布滿黑洞、中子星、白矮星的銀河係中生存至今的原因。迄今為(wei) 止,發現距離太陽係最近的黑洞也有1000多光年,它對太陽係的影響就像普通恒星一樣。

如果在太陽位置,換成與(yu) 太陽質量一樣的黑洞或中子星、白矮星,對我們(men) 地球的引力影響還是會(hui) 和太陽一樣大,地球照樣還會(hui) 這樣公轉。但不管是黑洞還是中子星、白矮星,都沒有太陽這樣強的光度和溫度輻射到地球來,因此地球就會(hui) 陷入黑暗極寒的境地,生物將無法避免被滅絕。

這就是根據科學常識得出的觀點,各位讀者有什麽(me) 看法,歡迎討論留言,謝謝閱讀。



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