恆星再大也乾不過最小黑洞,黑洞大小通吃,到底贏在哪…


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恆星再大也乾不過最小黑洞,黑洞大小通吃,到底贏在哪裡?

看過我文章的朋友,都知道了黑洞是宇宙中的頂級天體,通吃一切其他天體,再小的黑洞,也能吞掉最大的恆星;而再大的恆星遇到最小的黑洞,也一點辦法都沒有,只有被吃掉的命運。

雖然就這個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,今天我們就更通俗地來探討一下這個問題,看看能不能把它說清楚。

  • 宇宙中任何物質都受萬有引力約束

萬有引力是牛頓最偉大的發現之一,是人類對存在這個世界的四種基本力認知最早的一種力。牛頓創立的萬有引力,開始讓人類對宇宙天體運行有了科學理解。這種力存在於宇宙每個角落,只要有質量存在,引力就會出現。

萬有引力公式為:F=GMm/r^2。這裡的F表示引力大小,單位為N(牛頓);G為引力常量,取值6.67*10^-11N·m^2 /kg^2;M和m是引力相互作用的兩個大小物體,單位kg(千克);r為引力相互作用物體質點之間的距離,單位m(米)。

這個公式說明,萬有引力的大小是與質量成正比的,與距離平方成反比的。也就是說,質量越大的物體,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,這裡面最大的秘密就在距離,黑洞成功的秘訣就贏在表面到核心的距離上。

  • 黑洞是表面距離中心質點最近的天體

我們知道了萬有引力的性質,就能夠理解為什麼黑洞引力是非常極端,無限大的了。就是因為黑洞已經被壓縮到很小很小,不管多大質量的天體,只要變成黑洞,就會被壓縮成一個無限小的奇點,而在這個奇點周圍,形成一個與質量成正比對稱的球狀空間,在這個空間裡,時空曲率達到無限大,任何物質多快逃逸速度無法逃脫,因為要求逃逸速度達到光速以上。

人們把這個球狀空間稱為史瓦西半徑,這是任何物體都具有的一個臨界點。之所以叫這個名稱,是因為這個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相對論的場論,於1916年發現並得到的一個重力場精確解。

史瓦西半徑有多大呢?史瓦西給出了一個計算公式,表述為:R=2GM/C^2。這裡的R代表史瓦西半徑大小,G為引力常量,M為物體質量,C為光速。根據這個公式,就可以計算出小到一個原子,大到任何質量天體的史瓦西半徑。

任何物體只要縮小到自己的史瓦西半徑裡面,都會無可奈何地成為一個黑洞。因此史瓦西半徑是任何物體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,表面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,只有2952m,而地球的史瓦西半徑只有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?根據萬有引力定律,引力大小與距離平方成反比,表面引力有可比性嗎?

黑洞史瓦西半徑表面,就是那個能看見和不能看見的臨界點處,又叫黑洞事件視界,距離核心質點的距離是所有天體裡最近的,沒有任何天體可以這麼近,因此不管其他天體質量多大,都會被黑洞無限大引力所吞噬。

  • 同質量天體體積越小,表面引力越大

比如太陽質量約2*10^30kg,半徑約70萬km,如果有一個和太陽質量一樣的天體,但半徑只有35萬千米,那麼後者表面引力就比太陽大多了,如果太陽靠近這個天體,就會被這個天體所吸積(就是會吸取太陽表面物質)。

我們來計算一下這兩種天體的表面引力和逃逸速度。根據萬有引力定律,可計算出太陽表面引力約272N,比太陽半徑小一倍的天體表面引力為380N;根據逃逸速度公式v=√(2GM/R)計算,太陽表面逃逸速度約617km/s,而後者表面逃逸速度約873km/s。

白矮星是太陽質量左右恆星死亡後留下的極端緻密殘骸,體積只有地球大小,卻有0.5倍~1.4倍太陽質量;中子星是大質量恆星死亡後留下的更極端緻密殘骸,只有10km左右半徑,卻有太陽1.44倍~3倍質量;而一個3倍太陽質量的黑洞,其史瓦西半徑只有不到9000米。

由此我們可以看出,這些天體一個比一個極端,就是因為它們的表面距離核心質點越來越近,白矮星就可以吃掉任何恆星,而中子星可以吃掉白矮星,黑洞可以吃掉中子星。

這裡要說明的是,白矮星和中子星都有質量上限,它們吃飽了喝足了就會撐破自己肚子,繼續坍縮成更緻密的天體,最終就是黑洞。

  • 最小黑洞與最大恒星的較量

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),現在恆星形成的黑洞最小都在太陽質量3倍以上。

我們現在就用一顆3倍太陽質量黑洞來與已知最大質量恆星比較。原先以為最大質量的恆星叫r136a1,其質量為太陽的265倍,後來進一步研究認定其質量只有太陽的215倍,有一顆恆星BAT99-98,質量為太陽的226倍,這樣r136a1就只能屈居第二了。

老大老二這兩顆恆星都坐落在距離我們16萬光年的大麥哲倫星系中,但老大資料欠缺,沒找到半徑多大,因此這裡就還是以r136a1來比較吧。 r136a1半徑為太陽的39.2倍,也就是約274萬km。根據萬有引力公式計算,其表面引力約為696N;根據逃逸速度公式計算,其表面逃逸速度為312km/s。

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

只有在r136a1全部質量,都坍縮到自己的臨界點以內,也就是r136a1半徑只有645km以內時,才能與黑洞抗衡。當然,這個時候,它自己也成了黑洞,它們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,以至於到現在人類還是孤零零的,沒有找到一個知音。

不知道我這樣是否說清楚了,大家還有什麼疑問,歡迎評論留言探討。感謝網友們一直以來的支持關注和點贊,謝謝啦。

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