在宇宙中,黑洞是頂級天體,它處於食物鏈的頂端,大小通吃,比黑洞大很多的恆星,只要靠近黑洞,也無可奈何的被黑洞吞噬。
為什麼黑洞有這麼大的能量和本領呢?這個問題常常引起一些人誤解,認為黑洞就是因為其為一個極端的天體,就該吃掉一切。
還有的認為黑洞雖小,品質很大,所以能夠吞噬一切;更多的認為是黑洞引力極大,才導致這種現象。
這些似乎說的都有道理,但最根本的本質是什麼,卻有很多人說不清楚。
我們這次就來徹底分析一下,把黑洞通吃的根源弄清楚。
黑洞的引力其實與任何同等品質天體是一樣大的事實上,只要是這個世界上的物體,都必須遵循萬有引力定律,黑洞也不除外。因此黑洞的引力並不比同等品質的恆星大,而是一樣大。
萬有引力是人類發現的第一種基本力,是迄今發現的四種基本力中的一種,艾薩克·牛頓最偉大之處,就是發現了萬有引力,並給出了它的定律。
牛頓在1687年出版的《自然哲學的數學原理》一書中,提出了萬有引力定律,這個定律啟蒙了人類文明,揭示了世上萬物的運動規律,指導了人間科學三百多年。
萬有引力的本質是品質對時空的扭曲。這一點雖然牛頓時代並沒有給出,一直到愛因斯坦1915年發表的廣義相對論才予以揭示,但牛頓的萬有引力定律迄今仍然是人類認識世界最基本的基石。
萬有引力定律表示式為:F=GMm/r²
式中,F為引力值,G為引力常量(6.67x10^-11N·m²/kg²),M和m是相互影響天體品質,r為天體之間距離。
在這個定律中,引力的大小是與品質成正比,與距離平方成反比的。因此同等品質的恆星與同等品質的黑洞引力就是一樣大的。
目前我們發現的黑洞,最小的有太陽品質的3倍多,而已知最大的恆星r136a1,品質是太陽的265~300倍。
那麼3倍太陽品質的黑洞能吃掉300倍太陽品質的恆星嗎?答案是肯定的。只要r136a1靠近黑洞,再小的黑洞也會吃掉它。
既然同等品質的黑洞和恆星引力是一樣的,為什麼黑洞就一定會吃掉恆星呢?
這就要說到黑洞之所以是天體食物鏈頂端的最根本原因了,那就是“小”。在同等品質的天體中,黑洞體積是最小的。
“小”才是黑洞最強大的武器。而這一點正是引力定律中根本的一點:引力大小與天體之間距離平方成反比。
但這個距離不是表面到表面,而是質心起算的距離。
恆星質心到表面距離很大,引力衰減的就很大;黑洞表面到質心的距離很短,表面引力就大到極端,通吃一切。
那麼黑洞的“小”,小到什麼程度呢?這就不得不說到這個世界上最小的極限~史瓦西半徑。
史瓦西半徑何為史瓦西半徑?這是1916年,德國天文學家、物理學家卡爾·史瓦西,根據剛剛問世不久的廣義相對論,得出了愛因斯坦引力場論的一個精確解。
他發現任何有品質的物體都有自己的壓縮到最小的一個臨界半徑值,這個臨界值是一個球狀對稱。
極大壓力下,所有物質品質一旦被壓進這個半徑以內,就會出現奇異的現象:所有物質將無限墜落到中心無限小的奇點,而在臨界半徑球形範圍出現無限引力場,在這個引力場裡,任何物質都無法跳脫,包括光。
這個半徑與品質成正比,品質越大這個球就越大。
這就是後來人們稱為的“黑洞”。
人們把這個臨界半徑就叫史瓦西半徑,以紀念發現它的卡爾·史瓦西。
計算這個半徑的公式為:
R=2GM/C²
式中,R為史瓦西半徑(m),G為引力常量,從、C為光速。
根據這個公式,一座喜馬拉雅山的史瓦西半徑只有奈米級,奈米有多大?就是100萬分之一毫米。
地球的史瓦西半徑約9毫米,太陽的史瓦西半徑約3000米,r136a1的史瓦西半徑約795000~900000米,也就是約795~900公里。
任何天體一旦接近黑洞的史瓦西半徑,就會萬劫不復。
這就是再大的恆星或其他天體,也會被黑洞吞噬的原因。
理論上宇宙中最小的黑洞不小於太陽品質的3倍。
3倍太陽品質黑洞的史瓦西半徑只有9000米,也就是9公里大,當天體物質靠近到它半徑的9公里範圍時,才會被無限引力所控制。
宇宙中最大的恆星r136a1半徑達到2436萬公里,其表面引力在黑洞面前是在不堪一提,其表面逃逸速度只有1808公里/秒,遇到逃逸速度大於30萬公里的黑洞,還有活路嗎?
因此,黑洞之所以吞噬一切,主要是因為它“小”。現在我們知道了,同等品質的天體,不管是黑洞,還是中子星、白矮星、恆星,在同等距離,引力都是一樣的。
問題是其他的天體品質與體積之比都大於黑洞,所以表面引力就完全不一樣。
中子星品質與體積之比比白矮星小;白矮星品質體積之比比一般恆星小,這樣,恆星不但在黑洞面前,即便在中子星和白矮星面前,都只有被吃掉的結果。
不過中子星和白矮星都有一個品質臨界點,吃多了就撐爆肚子,發生超新星爆炸,然後繼續坍縮升級。
這兩個臨界點叫錢德拉塞卡極限和奧本海默極限。
前者是白矮星極限,品質達到太陽的1.44倍,就會發生爆炸,坍縮成一箇中子星;後者是中子星極限,到達太陽品質的3倍左右,就會發生爆炸,坍縮成一個黑洞。‘
任何天體坍縮到了黑洞這一級,就到頂了。
黑洞就沒有撐爆肚子這個後顧之憂了,它永遠也撐不飽,通吃通消化,偶爾打個飽嗝(噴發出高能射線),長到再大,還是黑洞。
距離我們104億光年有一顆迄今已知最大的黑洞,坐落在獵犬座編號為TON618,已經有太陽品質的660億倍,還在不停的吞噬著周邊的天體物質,每年要吞掉4、5顆恆星。
引力大小最直觀的表現,就是天體表面的逃逸速度。逃逸速度是根據動能公式和萬有引力公式來計算的。
引力勢能表示式為:E(r)=∫(GMm/r^2)dr=-GMm/r(以無窮遠為零勢能)
能量守恆表示式:mv^2/2=0-E(r)
r取天體半徑時,可以得到逃逸速度公式:v=√(2GM/R)
式中,v為逃逸速度;G為引力常數,取值6.67x10^-11N·m²/kg²;M為天體品質;R為天體半徑。
這樣我們可以看到,一個天體的逃逸速度,是與天體品質和半徑關聯的,因此天體品質再大,由於其半徑很大,逃逸速度就並不比品質小的星球大。
根據公式計算,黑洞史瓦西半徑內逃逸速度大與光速,地球的逃逸速度為11.2公里/秒,太陽逃逸速度為617.7公里/秒。
已知品質最大的恆星是r136a1,其品質是太陽的約265~300倍,其逃逸速度是多少呢?
r136a1半徑為太陽的35倍來計算,根據太陽表面逃逸速度,我們可以測算出r136a1的逃逸速度為:
v2=v1x√(265/35)≈1700或v1x√(300/35)≈1808km/s
式中,v2為r136a1逃逸速度,v1為太陽逃逸速度。
我們可以看到,r136a1的逃逸速度才達到1700~1808公里/秒,而黑洞的逃逸速度大於光速,每秒大於30萬公里,二者根本不是一個量級。
因此,一個逃逸速度才1808公里/秒的天體,能逃過逃逸速度大於光速的黑洞蹂躪嗎?即便r136a1遇到再小的黑洞,也只有乖乖束手就擒。
現在明白了吧?這才是黑洞橫行整個宇宙,一切通吃的根源。