天文科普:恒星再大也幹不過最小黑洞,黑洞大小通吃,到底贏在哪裏?
來源:時空通訊
發布時間:2021-07-13
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看過我文章的朋友,都知道了黑洞是宇宙中的頂級天體(ti) ,通吃一切其他天體(ti) ,再小的黑洞,也能吞掉最大的恒星;而再大的恒星遇到最小的黑洞,也一點辦法都沒有,隻有被吃掉的命運。

雖然就這個(ge) 問題我已經作過不止一次的解釋,但還有很多朋友鬧不明白。大概是我的解釋太過理論化了吧,今天我們(men) 就更通俗地來探討一下這個(ge) 問題,看看能不能把它說清楚。

宇宙中任何物質都受萬(wan) 有引力約束

萬(wan) 有引力是牛頓最偉(wei) 大的發現之一,是人類對存在這個(ge) 世界的四種基本力認知最早的一種力。牛頓創立的萬(wan) 有引力,開始讓人類對宇宙天體(ti) 運行有了科學理解。這種力存在於(yu) 宇宙每個(ge) 角落,隻要有質量存在,引力就會(hui) 出現。

萬(wan) 有引力公式為(wei) :F=GMm/r^2。這裏的F表示引力大小,單位為(wei) N(牛頓);G為(wei) 引力常量,取值6.67*10^-11N·m^2 /kg^2;M和m是引力相互作用的兩(liang) 個(ge) 大小物體(ti) ,單位kg(千克);r為(wei) 引力相互作用物體(ti) 質點之間的距離,單位m(米)。

這個(ge) 公式說明,萬(wan) 有引力的大小是與(yu) 質量成正比的,與(yu) 距離平方成反比的。也就是說,質量越大的物體(ti) ,引力就越大;但隨著質點之間距離拉大,引力衰減得很快,呈指數級衰減。

請各位注意,這裏麵最大的秘密就在距離,黑洞成功的秘訣就贏在表麵到核心的距離上。

黑洞是表麵距離中心質點最近的天體(ti)

我們(men) 知道了萬(wan) 有引力的性質,就能夠理解為(wei) 什麽(me) 黑洞引力是非常極端,無限大的了。就是因為(wei) 黑洞已經被壓縮到很小很小,不管多大質量的天體(ti) ,隻要變成黑洞,就會(hui) 被壓縮成一個(ge) 無限小的奇點,而在這個(ge) 奇點周圍,形成一個(ge) 與(yu) 質量成正比對稱的球狀空間,在這個(ge) 空間裏,時空曲率達到無限大,任何物質多快逃逸速度無法逃脫,因為(wei) 要求逃逸速度達到光速以上。

人們(men) 把這個(ge) 球狀空間稱為(wei) 史瓦西半徑,這是任何物體(ti) 都具有的一個(ge) 臨(lin) 界點。之所以叫這個(ge) 名稱,是因為(wei) 這個(ge) 理論是由德國天文學家卡爾·史瓦西創立的,是他根據愛因斯坦廣義(yi) 相對論的場論,於(yu) 1916年發現並得到的一個(ge) 重力場精確解。

史瓦西半徑有多大呢?史瓦西給出了一個(ge) 計算公式,表述為(wei) :R=2GM/C^2。這裏的R代表史瓦西半徑大小,G為(wei) 引力常量,M為(wei) 物體(ti) 質量,C為(wei) 光速。根據這個(ge) 公式,就可以計算出小到一個(ge) 原子,大到任何質量天體(ti) 的史瓦西半徑。

任何物體(ti) 隻要縮小到自己的史瓦西半徑裏麵,都會(hui) 無可奈何地成為(wei) 一個(ge) 黑洞。因此史瓦西半徑是任何物體(ti) 壓縮到頂點的最終結局,也就是說被壓縮到史瓦西半徑的物體(ti) ,表麵就是距離核心質點最近的了,沒有之一。

按照史瓦西半徑公式計算太陽的史瓦西半徑,隻有2952m,而地球的史瓦西半徑隻有0.9厘米。想一想,現在的太陽和地球有多大?變成史瓦西版今後有多大?根據萬(wan) 有引力定律,引力大小與(yu) 距離平方成反比,表麵引力有可比性嗎?

黑洞史瓦西半徑表麵,就是那個(ge) 能看見和不能看見的臨(lin) 界點處,又叫黑洞事件視界,距離核心質點的距離是所有天體(ti) 裏最近的,沒有任何天體(ti) 可以這麽(me) 近,因此不管其他天體(ti) 質量多大,都會(hui) 被黑洞無限大引力所吞噬。

同質量天體(ti) 體(ti) 積越小,表麵引力越大

比如太陽質量約2*10^30kg,半徑約70萬(wan) km,如果有一個(ge) 和太陽質量一樣的天體(ti) ,但半徑隻有35萬(wan) 千米,那麽(me) 後者表麵引力就比太陽大多了,如果太陽靠近這個(ge) 天體(ti) ,就會(hui) 被這個(ge) 天體(ti) 所吸積(就是會(hui) 吸取太陽表麵物質)。

我們(men) 來計算一下這兩(liang) 種天體(ti) 的表麵引力和逃逸速度。根據萬(wan) 有引力定律,可計算出太陽表麵引力約272N,比太陽半徑小一倍的天體(ti) 表麵引力為(wei) 380N;根據逃逸速度公式v=√(2GM/R)計算,太陽表麵逃逸速度約617km/s,而後者表麵逃逸速度約873km/s。

白矮星是太陽質量左右恒星死亡後留下的極端致密殘骸,體(ti) 積隻有地球大小,卻有0.5倍~1.4倍太陽質量;中子星是大質量恒星死亡後留下的更極端致密殘骸,隻有10km左右半徑,卻有太陽1.44倍~3倍質量;而一個(ge) 3倍太陽質量的黑洞,其史瓦西半徑隻有不到9000米。

由此我們(men) 可以看出,這些天體(ti) 一個(ge) 比一個(ge) 極端,就是因為(wei) 它們(men) 的表麵距離核心質點越來越近,白矮星就可以吃掉任何恒星,而中子星可以吃掉白矮星,黑洞可以吃掉中子星。

這裏要說明的是,白矮星和中子星都有質量上限,它們(men) 吃飽了喝足了就會(hui) 撐破自己肚子,繼續坍縮成更致密的天體(ti) ,最終就是黑洞。

最小黑洞與(yu) 最大恒星的較量

在宇宙中,已知最小的黑洞都在3倍太陽質量以上,因此科學家現在的共識是,除了宇宙大爆炸初期,有一些很小的原初黑洞(至今沒有發現),現在恒星形成的黑洞最小都在太陽質量3倍以上。

我們(men) 現在就用一顆3倍太陽質量黑洞來與(yu) 已知最大質量恒星比較。原先以為(wei) 最大質量的恒星叫r136a1,其質量為(wei) 太陽的265倍,後來進一步研究認定其質量隻有太陽的215倍,有一顆恒星BAT99-98,質量為(wei) 太陽的226倍,這樣r136a1就隻能屈居第二了。

老大老二這兩(liang) 顆恒星都坐落在距離我們(men) 16萬(wan) 光年的大麥哲倫(lun) 星係中,但老大資料欠缺,沒找到半徑多大,因此這裏就還是以r136a1來比較吧。r136a1半徑為(wei) 太陽的39.2倍,也就是約274萬(wan) km。根據萬(wan) 有引力公式計算,其表麵引力約為(wei) 696N;根據逃逸速度公式計算,其表麵逃逸速度為(wei) 312km/s。

而黑洞的表麵(事件視界處)引力是質量越小越極端,所有黑洞表麵逃逸速度均為(wei) 光速(約30萬(wan) km/s)。所以當r136a1表麵靠近黑洞表麵時,不管這個(ge) 黑洞大小,它都無法逃脫被撕碎和吞噬吃掉的命運。

隻有在r136a1全部質量,都坍縮到自己的臨(lin) 界點以內(nei) ,也就是r136a1半徑隻有645km以內(nei) 時,才能與(yu) 黑洞抗衡。當然,這個(ge) 時候,它自己也成了黑洞,它們(men) 在一起就是黑吃黑的問題了。

黑洞之間的碰撞和融合驚天動地,會(hui) 激發出宇宙頂級殺手~伽馬射線暴,氣化附近的一切。據說宇宙中90%以上的生命和文明,就是被伽馬射線暴定期或不定期清理掉了,以至於(yu) 到現在人類還是孤零零的,沒有找到一個(ge) 知音。


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