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恒星再大也干不过最小黑洞,黑洞大小通吃,到底赢在哪里?

看过我文章的朋友,都知道了黑洞是宇宙中的顶级天体,通吃一切其他天体,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,也一点办法都没有,只有被吃掉的命运。

虽然就这个问题我已经作过不止一次的解释,但还有很多朋友闹不明白。大概是我的解释太过理论化了吧,今天我们就更通俗地来探讨一下这个问题,看看能不能把它说清楚。

宇宙中任何物质都受万有引力约束

万有引力是牛顿最伟大的发现之一,是人类对存在这个世界的四种基本力认知最早的一种力。牛顿创立的万有引力,开始让人类对宇宙天体运行有了科学理解。这种力存在于宇宙每个角落,只要有质量存在,引力就会出现。

万有引力公式为:F=GMm/r^2。这里的F表示引力大小,单位为N(牛顿);G为引力常量,取值6.67*10^-11N・m^2 /kg^2;M和m是引力相互作用的两个大小物体,单位kg(千克);r为引力相互作用物体质点之间的距离,单位m(米)。

这个公式说明,万有引力的大小是与质量成正比的,与距离平方成反比的。也就是说,质量越大的物体,引力就越大;但随着质点之间距离拉大,引力衰减得很快,呈指数级衰减。

请各位注意,这里面最大的秘密就在距离,黑洞成功的秘诀就赢在表面到核心的距离上。

黑洞是表面距离中心质点最近的天体

我们知道了万有引力的性质,就能够理解为什么黑洞引力是非常极端,无限大的了。就是因为黑洞已经被压缩到很小很小,不管多大质量的天体,只要变成黑洞,就会被压缩成一个无限小的奇点,而在这个奇点周围,形成一个与质量成正比对称的球状空间,在这个空间里,时空曲率达到无限大,任何物质多快逃逸速度无法逃脱,因为要求逃逸速度达到光速以上。

人们把这个球状空间称为史瓦西半径,这是任何物体都具有的一个临界点。之所以叫这个名称,是因为这个理论是由德国天文学家卡尔・史瓦西创立的,是他根据爱因斯坦广义相对论的场论,于1916年发现并得到的一个重力场精确解。

史瓦西半径有多大呢?史瓦西给出了一个计算公式,表述为:R=2GM/C^2。这里的R代表史瓦西半径大小,G为引力常量,M为物体质量,C为光速。根据这个公式,就可以计算出小到一个原子,大到任何质量天体的史瓦西半径。

任何物体只要缩小到自己的史瓦西半径里面,都会无可奈何地成为一个黑洞。因此史瓦西半径是任何物体压缩到顶点的最终结局,也就是说被压缩到史瓦西半径的物体,表面就是距离核心质点最近的了,没有之一。

按照史瓦西半径公式计算太阳的史瓦西半径,只有2952m,而地球的史瓦西半径只有0.9厘米。想一想,现在的太阳和地球有多大?变成史瓦西版今后有多大?根据万有引力定律,引力大小与距离平方成反比,表面引力有可比性吗?

黑洞史瓦西半径表面,就是那个能看见和不能看见的临界点处,又叫黑洞事件视界,距离核心质点的距离是所有天体里最近的,没有任何天体可以这么近,因此不管其他天体质量多大,都会被黑洞无限大引力所吞噬。

同质量天体体积越小,表面引力越大

比如太阳质量约2*10^30kg,半径约70万km,如果有一个和太阳质量一样的天体,但半径只有35万千米,那么后者表面引力就比太阳大多了,如果太阳靠近这个天体,就会被这个天体所吸积(就是会吸取太阳表面物质)。

我们来计算一下这两种天体的表面引力和逃逸速度。根据万有引力定律,可计算出太阳表面引力约272N,比太阳半径小一倍的天体表面引力为380N;根据逃逸速度公式v=√(2GM/R)计算,太阳表面逃逸速度约617km/s,而后者表面逃逸速度约873km/s。

白矮星是太阳质量左右恒星死亡后留下的极端致密残骸,体积只有地球大小,却有0.5倍~1.4倍太阳质量;中子星是大质量恒星死亡后留下的更极端致密残骸,只有10km左右半径,却有太阳1.44倍~3倍质量;而一个3倍太阳质量的黑洞,其史瓦西半径只有不到9000米。

由此我们可以看出,这些天体一个比一个极端,就是因为它们的表面距离核心质点越来越近,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。

这里要说明的是,白矮星和中子星都有质量上限,它们吃饱了喝足了就会撑破自己肚子,继续坍缩成更致密的天体,最终就是黑洞。

最小黑洞与最大恒星的较量

在宇宙中,已知最小的黑洞都在3倍太阳质量以上,因此科学家现在的共识是,除了宇宙大爆炸初期,有一些很小的原初黑洞(至今没有发现),现在恒星形成的黑洞最小都在太阳质量3倍以上。

我们现在就用一颗3倍太阳质量黑洞来与已知最大质量恒星比较。原先以为最大质量的恒星叫r136a1,其质量为太阳的265倍,后来进一步研究认定其质量只有太阳的215倍,有一颗恒星BAT99-98,质量为太阳的226倍,这样r136a1就只能屈居第二了。

老大老二这两颗恒星都坐落在距离我们16万光年的大麦哲伦星系中,但老大资料欠缺,没找到半径多大,因此这里就还是以r136a1来比较吧。r136a1半径为太阳的39.2倍,也就是约274万km。根据万有引力公式计算,其表面引力约为696N;根据逃逸速度公式计算,其表面逃逸速度为312km/s。

而黑洞的表面(事件视界处)引力是质量越小越极端,所有黑洞表面逃逸速度均为光速(约30万km/s)。所以当r136a1表面靠近黑洞表面时,不管这个黑洞大小,它都无法逃脱被撕碎和吞噬吃掉的命运。

只有在r136a1全部质量,都坍缩到自己的临界点以内,也就是r136a1半径只有645km以内时,才能与黑洞抗衡。当然,这个时候,它自己也成了黑洞,它们在一起就是黑吃黑的问题了。

黑洞之间的碰撞和融合惊天动地,会激发出宇宙顶级杀手~伽马射线暴,气化附近的一切。据说宇宙中90%以上的生命和文明,就是被伽马射线暴定期或不定期清理掉了,以至于到现在人类还是孤零零的,没有找到一个知音。

不知道我这样是否说清楚了,大家还有什么疑问,欢迎评论留言探讨。感谢网友们一直以来的支持关注和点赞,谢谢啦。

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