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黑洞在宇宙中通吃一切,這種極端詭異力量從哪里來(lái)?

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這個(gè)問(wèn)題違背了天體物理規(guī)律,因?yàn)橛钪嬷胁豢赡艽嬖?000倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星。愛(ài)丁頓極限理論認(rèn)為,恒星質(zhì)量是有天花板的,穩(wěn)定恒星的最大質(zhì)量上限約為150-200 倍太陽(yáng)質(zhì)量,超過(guò)此值,恒星將變得極度不穩(wěn)定,難以長(zhǎng)期存在。



在實(shí)際天文觀測(cè)中,也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)如此巨大質(zhì)量的恒星,迄今為止,最大質(zhì)量恒星為坐落在距我們16萬(wàn)光年的矮星系大麥哲倫云里,名為R136a1,質(zhì)量約為太陽(yáng)的215倍,由于核心輻射壓極大,熱光度是太陽(yáng)的600多萬(wàn)倍,恒星風(fēng)達(dá)到每秒2600公里,外圍物質(zhì)損失極快,自誕生以來(lái),已經(jīng)損失了數(shù)十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。

宇宙中最大的單個(gè)天體是黑洞,迄今發(fā)現(xiàn)最大的黑洞可達(dá)太陽(yáng)質(zhì)量的1000億倍。

黑洞與恒星是兩種完全不同層次的天體,黑洞是宇宙天體食物鏈的頂端,任何天體物質(zhì)靠近黑洞,只有被黑洞吞噬的命運(yùn),恒星質(zhì)量再大,也不可能對(duì)黑洞造成威脅。

原來(lái),黑洞之所以有這種無(wú)比的詭異能量,是因?yàn)樘祗w被極端壓縮,壓進(jìn)了自身質(zhì)量的史瓦西半徑里,才能成為黑洞。

史瓦西半徑是天文物理學(xué)家卡爾·史瓦西,根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論發(fā)現(xiàn)的一個(gè)客觀規(guī)律,就是是任何物質(zhì)質(zhì)量都存在的一個(gè)臨界值,一旦壓縮進(jìn)了這個(gè)臨界值,物質(zhì)就會(huì)從我們這個(gè)世界消失,變成現(xiàn)代物理學(xué)無(wú)法解釋的東西。



落入史瓦西半徑的物質(zhì)會(huì)被無(wú)限曲率卷縮進(jìn)中心的奇點(diǎn)里,這個(gè)奇點(diǎn)是一個(gè)體積無(wú)限小,密度無(wú)限大,曲率無(wú)限高的怪胎。后來(lái),人們把這個(gè)怪胎稱為“黑洞”,只有黑洞,才將所有質(zhì)量躲進(jìn)了自己的史瓦西半徑里,也可以說(shuō),一旦自身質(zhì)量被壓縮進(jìn)了史瓦西半徑,就是黑洞。

因此,史瓦西半徑才是黑洞無(wú)比詭異力量的來(lái)源。

廣義相對(duì)論預(yù)言在宇宙中就有這種黑洞存在,直到上世紀(jì)六十年代,天文學(xué)家們間接證實(shí)了黑洞的存在,2019年,科學(xué)家們通過(guò)事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)拍攝到了黑洞的照片。

黑洞曲率無(wú)限大,就是在黑洞里時(shí)空被扭曲到極端程度,無(wú)限墜落進(jìn)入奇點(diǎn),連光也不例外。時(shí)空曲率表現(xiàn)出來(lái)的就是引力,對(duì)抗引力,逃出引力陷阱的唯一方法就是速度,引力越大逃逸的速度要求越高。但黑洞的曲率無(wú)限大,也就是引力無(wú)限大,連宇宙速度的天花板,每秒30萬(wàn)公里的光速都無(wú)法逃脫,還有什么東西能夠逃脫呢?

所以,黑洞在宇宙中就通吃一切。

恒星質(zhì)量再大,但由于其是氣態(tài)組成,密度相對(duì)極小。比如已知質(zhì)量最大恒星r136a1,質(zhì)量是太陽(yáng)的約215倍,但其密度只有0.014克/立方厘米,是地球5.52克/立方厘米的約1/300,在其巨大體積的外圍引力就已經(jīng)極小了,靠近了黑洞,就只有被黑洞吸食的份了。

所以,再大的恒星也只能是黑洞的食物,只有被黑洞吞噬的份,靠近了黑洞,就會(huì)被黑洞強(qiáng)大的引力拉扯成面條狀慢慢吸食掉。



除非這顆恒星自己收縮到質(zhì)量的史瓦西半徑以內(nèi)。也就是說(shuō)像太陽(yáng)這么大質(zhì)量的恒星,半徑收縮成只有3公里;r136a1這么大質(zhì)量的恒星,半徑收縮成645公里,這樣就可以抗衡黑洞了。但現(xiàn)在的太陽(yáng)半徑有70萬(wàn)公里,r136a1半徑有2700萬(wàn)公里,也就是說(shuō),太陽(yáng)表面要縮減69.9997公里,r136a1表面要縮小2799.99355萬(wàn)公里,在接近核心的這個(gè)位置,其引力才能與黑洞抗衡。

由此,也說(shuō)明黑洞的引力無(wú)限大,是控制在一個(gè)較小范圍,不是在任何范圍都是無(wú)限的。

否則,宇宙中黑洞如此之多,據(jù)估算,僅銀河系就可能有1~10億個(gè)之多,如果其影響范圍很大,豈不早就沒(méi)有恒星了?

準(zhǔn)確的說(shuō),黑洞的引力大到連光速都無(wú)法逃逸,只是在其事件視界以內(nèi),也就是史瓦西半徑以內(nèi)。這個(gè)范圍極小,可通過(guò)史瓦西半徑公式R_s = 2GM/c^2來(lái)計(jì)算。這里的R_s 表示天體的史瓦西半徑,G為萬(wàn)有引力常數(shù),M為天體質(zhì)量。

前面說(shuō)的太陽(yáng)史瓦西半徑約為3公里,r136a1的史瓦西半徑約645公里就是這樣得來(lái)。同理,一顆20倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞史瓦西半徑約為60公里,只有靠近這個(gè)邊界,才會(huì)被其強(qiáng)大的引力撕碎。



當(dāng)然,黑洞強(qiáng)大的引力并不是完全靠近才突然產(chǎn)生的,而是隨著靠近逐步加強(qiáng)的,一旦進(jìn)入其事件視界(史瓦西半徑),就有去無(wú)回了。

但要說(shuō)比黑洞質(zhì)量更大的恒星能不能戰(zhàn)勝黑洞,則要看如何理解了。其實(shí)無(wú)論是黑洞,還是恒星、行星,只要質(zhì)量同等,引力都是一樣的。

只是黑洞密度無(wú)限大,體積極小,引力才變得極端起來(lái)。因此,只要距離黑洞足夠遠(yuǎn),黑洞的引力就會(huì)與普通天體一樣了。所以,只要不是在黑洞“旁邊”,也就是事件視界附近,就沒(méi)有必要害怕黑洞的極端引力。

我們銀河系有許多黑洞,有已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的,更多沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的,因?yàn)榫嚯x我們足夠遠(yuǎn),所以才對(duì)太陽(yáng)系沒(méi)有產(chǎn)生什么影響,太陽(yáng)系以及地球和人類才能夠悠哉游哉的繼續(xù)生活,才能對(duì)這些黑洞指指點(diǎn)點(diǎn)評(píng)頭論足。

在足夠遠(yuǎn)的距離,引力影響就看誰(shuí)的質(zhì)量大了,因?yàn)槿f(wàn)有引力還是遵循質(zhì)量越大引力越大規(guī)律的,即遵循牛頓萬(wàn)有引力公式F=MmG/r^2。這里的F代表引力大小,M和m代表兩個(gè)引力相互作用的大小天體,r表示距離。



在引力的絕對(duì)值方面,黑洞與恒星是同等的,在引力能夠相互影響的足夠遠(yuǎn)距離,恒星與黑洞就可以比質(zhì)量了,誰(shuí)的質(zhì)量大就有主導(dǎo)權(quán)。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō),大質(zhì)量的恒星就能夠戰(zhàn)勝黑洞了。

比如我們地球如果是一顆黑洞,史瓦西半徑就只有約9毫米,在這個(gè)位置還是會(huì)受到太陽(yáng)牽制,圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。但目前宇宙中沒(méi)有地球質(zhì)量這么小的黑洞,太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞也沒(méi)發(fā)現(xiàn),最小的黑洞約為3倍太陽(yáng)質(zhì)量,這是典型的恒星級(jí)黑洞。

這符合恒星黑洞形成理論,也就是一顆大于30~40倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星,在演化末期超新星爆發(fā)后,就有可能留下一顆3倍以上太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。

其實(shí)兩個(gè)引力相互作用的天體,嚴(yán)格說(shuō)來(lái)并非是小天體圍繞著大天體運(yùn)動(dòng),而是大小天體都圍繞著兩個(gè)天體共同形成的質(zhì)心運(yùn)動(dòng),由于質(zhì)心更靠近大天體,看起來(lái)就像小天體圍繞著大天體運(yùn)動(dòng)而已。



太陽(yáng)系也是如此,由于太陽(yáng)在太陽(yáng)系的質(zhì)量占據(jù)了99.86%,木星又占據(jù)了除太陽(yáng)外其他所有天體質(zhì)量總和的70%,因此,太陽(yáng)系的公同質(zhì)心總會(huì)隨著木星與太陽(yáng)的距離變化而變化,有時(shí)在太陽(yáng)表面以下,有時(shí)在表面之外的附近。而所有行星距離質(zhì)心都較遠(yuǎn),看起來(lái)就是繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。

黑洞與恒星由于引力形成的雙星運(yùn)動(dòng),也是相互圍繞著共同質(zhì)心運(yùn)動(dòng)。

天文學(xué)界通過(guò) X 射線觀測(cè)、多普勒頻移測(cè)量等手段,已確認(rèn)多個(gè)此類系統(tǒng)。如距離我們7000多光年,人類發(fā)現(xiàn)的首個(gè)黑洞~天鵝座 X-1,就是由一顆約20~40倍太陽(yáng)質(zhì)量的超藍(lán)巨星 HDE 226868,與質(zhì)量約太陽(yáng)21倍的致密伴星(黑洞)組成,它們相互圍繞著共同質(zhì)心公轉(zhuǎn),由于兩星距離只有約0.2AU(約3000萬(wàn)公里),黑洞不斷吸積著藍(lán)超巨星的恒星風(fēng),由此發(fā)出強(qiáng)烈的X射線。

還有 LMC X-3(大麥哲倫云的 X 射線雙星)、 Cygnus X-3(沃爾夫 - 拉葉星伴星系統(tǒng))、MAXI J1659-152(軌道周期最短的黑洞雙星)、LMC X-3(第一個(gè)被確認(rèn)的河外黑洞雙星系統(tǒng))等等,都是恒星與黑洞組合成的雙星系統(tǒng),是雙方引力作用下形成的共存系統(tǒng)。



所以無(wú)論是恒星質(zhì)量大,還是黑洞質(zhì)量大,只要雙方距離在一個(gè)恰當(dāng)位置,恒星不會(huì)被黑洞吃掉,但雙方又在引力相互作用范圍,就會(huì)各自安好,按照萬(wàn)有引力邏輯,形成雙星運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

結(jié)論:史瓦西半徑是黑洞產(chǎn)生無(wú)比詭異力量的源泉,由于史瓦西半徑極小,黑洞抗衡大質(zhì)量天體的前提,是相互靠得足夠近,如果距離較遠(yuǎn),質(zhì)量依然是衡量引力大小的金標(biāo)準(zhǔn)。

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