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每日頭條!如果有一個(gè)黑洞來(lái)到太陽(yáng)系,吃掉了太陽(yáng),行星還能存在嗎?

時(shí)間:2022-06-30 09:26:39    來(lái)源:科普中國(guó)網(wǎng)    

本文基于回答網(wǎng)友問(wèn)題:假如黑洞將太陽(yáng)吞噬,太陽(yáng)系將會(huì)怎么樣?


(資料圖片)

要說(shuō)清這個(gè)問(wèn)題,還得從黑洞是什么說(shuō)起。

黑洞是宇宙天體的頂級(jí)尸骸

天地萬(wàn)物所有的物體都有生命周期,都會(huì)死,死后都會(huì)留下個(gè)尸骸。宇宙天體也一樣,所有天體都有一個(gè)演化周期,最終都會(huì)死去,留下一具尸骸。恒星的尸骸有黑矮星、白矮星、中子星、黑洞。黑洞就是宇宙天體尸骸的唯一“老大”,沒(méi)有之一。

在人們認(rèn)知中,已經(jīng)死去的遺體,除了污染和腐爛,一點(diǎn)用處也沒(méi)有,也不必害怕。但在神鬼傳說(shuō)中,人的尸骸卻可以變成厲鬼或好鬼,還能夠與人互動(dòng),有時(shí)還會(huì)詐尸,危害人間。但這畢竟只是傳說(shuō),沒(méi)有任何證據(jù)證明這些玩意真的存在。

但黑洞真的會(huì)“詐尸”,且可以吞噬一切。無(wú)論什么,不管這個(gè)天體是比它大還是比它小,只要靠近它都會(huì)毫不留情地被吃掉,最后一點(diǎn)渣子都不留,連每秒30萬(wàn)千米的光也無(wú)法逃逸。

黑洞的吃相有一個(gè)最大特點(diǎn),就是吃起天體物質(zhì)會(huì)光芒四射,激起強(qiáng)大的能量噴流,這些能量爆發(fā),就像被吞吃的天體靈魂在拼命的掙扎和尖叫:救命啊~

正因?yàn)楹诙催@種吃相,才能被人類(lèi)觀測(cè)到。如果黑洞不吃不喝,就躲在幽暗的太空,像不存在一樣,將完全看不到。當(dāng)然,如果周?chē)刑祗w進(jìn)入它的引力場(chǎng),會(huì)產(chǎn)生奇怪的運(yùn)動(dòng),科學(xué)家們就會(huì)知道在那個(gè)看不見(jiàn)的空間,可能有一顆蟄伏的黑洞。

黑洞是如何形成的?

黑洞是在極端條件下,將自身質(zhì)量壓縮進(jìn)一個(gè)臨界點(diǎn)導(dǎo)致的后果。1916年,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)了質(zhì)量這個(gè)臨界點(diǎn)及其規(guī)律,得出了一個(gè)公式,人們把它叫做史瓦西半徑公式,表述為:R=2MG/C^2。

任何物體只要將自己的全部質(zhì)量壓縮進(jìn)這個(gè)臨界半徑,質(zhì)量就會(huì)無(wú)限坍縮到核心一個(gè)無(wú)窮小的奇點(diǎn),周?chē)鷷?huì)形成一個(gè)無(wú)限曲率的球狀空間,包裹著這個(gè)奇點(diǎn),這就是黑洞。人們把這個(gè)球狀空間稱為史瓦西半徑。

無(wú)論是粒子、原子等微觀物體,還是星球等宏觀天體,都有自己的史瓦西半徑,理論上都能夠成為一個(gè)黑洞。史瓦西半徑有多大呢?根據(jù)史瓦西半徑公式計(jì)算,太陽(yáng)這種質(zhì)量的天體,史瓦西半徑約為2952米;地球這種質(zhì)量的天體,史瓦西半徑約8.9毫米。

但要變成黑洞的條件十分苛刻,需要極大壓強(qiáng),因此,宇宙中沒(méi)有任何力量可以將太陽(yáng)和地球壓縮成黑洞。研究認(rèn)為,只有宇宙大爆炸和大質(zhì)量恒星才有這種能量??茖W(xué)家們企圖用極大能量,在大型對(duì)撞機(jī)中將粒子加速到接近光速時(shí)對(duì)撞,制造出一個(gè)粒子質(zhì)量級(jí)別的微型黑洞,迄今為止還沒(méi)有成功,或者說(shuō)沒(méi)有觀測(cè)到。

現(xiàn)在宇宙中觀測(cè)到的黑洞,只有恒星級(jí)黑洞和超大質(zhì)量黑洞。恒星級(jí)黑洞是達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量30~40倍以上的恒星,在演化晚期核心核聚變停止,只留下一個(gè)鐵核,經(jīng)過(guò)超新星大爆炸,極大的壓力下將鐵球壓縮成為黑洞。

所有星系中心幾乎都有一個(gè)超大型黑洞,質(zhì)量在太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)倍到若干億倍。如銀河系中心的人馬座A*黑洞,是太陽(yáng)質(zhì)量的430萬(wàn)倍;被拍到第一張照片的M87星系中心黑洞,是太陽(yáng)質(zhì)量的65億倍;已發(fā)現(xiàn)宇宙中最大的黑洞SDSS J073739.96+384413.2,為太陽(yáng)質(zhì)量的1040億倍。

恒星級(jí)黑洞雖然由于不斷吞噬著靠近的天體物質(zhì),會(huì)慢慢長(zhǎng)大,但要長(zhǎng)到這么大是很難的。因此這些超大質(zhì)量黑洞一般被認(rèn)為是宇宙大爆炸后,巨大的星云物質(zhì)直接坍縮成為的黑洞。理論上認(rèn)為,宇宙大爆炸開(kāi)始時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多微型黑洞,但迄今為止沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存在的證據(jù),或許是早就蒸發(fā)殆盡了。

為什么黑洞通吃一切?

宇宙中,已知最大的恒星r136a1是太陽(yáng)質(zhì)量的200~300倍,最小的黑洞只有太陽(yáng)質(zhì)量的3倍。但即便是r136a1遇到黑洞,也只有被吞噬的結(jié)果。為什么黑洞有如此能耐呢?就是因?yàn)楹诙吹囊軜O端。

萬(wàn)有引力定律表述為:F=GMm/r^2。這里的F表示萬(wàn)有引力值,G為引力常量,M和m為引力相互作用兩個(gè)大小物體的質(zhì)量,r為物體質(zhì)心之間的距離。這個(gè)公式告訴我們,引力大小與物體的質(zhì)量成正比,與距離平方成反比。也就是說(shuō),引力是物體之間的相互作用,質(zhì)量越大引力越大,而隨著物體之間距離擴(kuò)大,引力會(huì)呈指數(shù)級(jí)衰減。

觀測(cè)和研究發(fā)現(xiàn)證明,任何有質(zhì)量的物體都遵循這個(gè)規(guī)律。黑洞雖然很怪,但同樣是有質(zhì)量的天體,因此也遵循這個(gè)規(guī)律。所以,理論上說(shuō),黑洞與任何天體的引力是一樣的,在同等質(zhì)量和同等距離,引力一樣大。

那黑洞為什么引力會(huì)如此極端,可以吞噬掉一切呢?這是因?yàn)楹诙吹馁|(zhì)量被壓縮到極小,壓進(jìn)了質(zhì)量的史瓦西半徑以內(nèi),時(shí)空曲率就變得無(wú)窮大了。這樣,任何物質(zhì)一旦進(jìn)入那個(gè)球狀空間,就都逃脫不了被吃掉的命運(yùn)。

根據(jù)引力公式計(jì)算,質(zhì)量為1.9891*10^30kg的太陽(yáng),現(xiàn)在半徑約為69.6萬(wàn)千米,其表面引力約為270N·m^2/km^2;而當(dāng)太陽(yáng)同等質(zhì)量被壓縮到史瓦西半徑內(nèi)時(shí),半徑只有2952米,其史瓦西半徑的臨界引力就達(dá)到15萬(wàn)億N·m^2/km^2了。

根據(jù)逃逸速度公式v=√(2GM/R)計(jì)算,太陽(yáng)表面逃逸速度為617.7km/s(千米/秒),但如果太陽(yáng)變成黑洞,在史瓦西半徑臨界點(diǎn)的逃逸速度就達(dá)到光速了,進(jìn)入到史瓦西半徑后逃逸速度就大于光速了。所謂逃逸速度,就是達(dá)到這個(gè)速度,才能從某個(gè)天體引力中逃出。

宇宙中光速是最快的速度,黑洞里的逃逸速度大于光速,沒(méi)有任何物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度能夠達(dá)到光速,就說(shuō)明進(jìn)入黑洞的物體,都無(wú)法逃脫。這就是黑洞通吃一切,光也無(wú)法逃逸的原因。

所以,從引力大小來(lái)看,黑洞和所有天體一樣都是與質(zhì)量成正比的,但由于黑洞表面距離核心質(zhì)點(diǎn)太近,在靠近其史瓦西半徑時(shí)引力就會(huì)極端,而任何其他天體,表面都與引力核心相對(duì)較遠(yuǎn),一旦靠近黑洞,表面引力就無(wú)法與黑洞表面抗衡了,就只有被吞噬的命運(yùn)了。

而在遠(yuǎn)離黑洞的地方,其他天體的引力就與黑洞完全平等了,都是與質(zhì)量成正比的。在一顆比黑洞質(zhì)量大的恒星面前,黑洞也會(huì)受到恒星引力牽制,圍繞著恒星或相互圍繞著公轉(zhuǎn)。

黑洞史瓦西半徑的邊緣,是可觀測(cè)和不可觀測(cè)的臨界點(diǎn),叫做事件視界,人類(lèi)能觀測(cè)到的黑洞所有“事件”,都在事件視界之外,物質(zhì)一旦進(jìn)入到史瓦西半徑里面,就全都消失了。

黑洞在吞噬天體物質(zhì)過(guò)程,會(huì)先將所有物質(zhì)全部粉碎,這些碎為基本粒子的物質(zhì)圍繞著高速旋轉(zhuǎn)的黑洞赤道形成一個(gè)吸積盤(pán),在每秒數(shù)萬(wàn)公里的碰撞中,迸發(fā)出巨大能量,以耀眼的可見(jiàn)光和高能射線、物質(zhì)噴流方式,噴射到太空。

這就是黑洞發(fā)光,能夠被人類(lèi)看到并且拍照的原理。

黑洞吞噬恒星的過(guò)程

黑洞吞噬恒星的過(guò)程,不是像某些網(wǎng)友想象的那樣一口就吞掉的,而是當(dāng)被捕獲的天體靠得越來(lái)越近時(shí),會(huì)相互圍繞著旋轉(zhuǎn),進(jìn)入黑洞極端引力場(chǎng)后,恒星表面氣體就會(huì)被黑洞慢慢剝離,就像龍卷風(fēng)一樣,吸食到自己的史瓦西半徑附近,形成吸積盤(pán),再細(xì)嚼慢咽的慢慢吃掉。

一般恒星級(jí)黑洞(就是較小黑洞),吞噬物質(zhì)的速度并不快。一顆3倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞,要吃掉一顆像太陽(yáng)這樣大的恒星,需要幾億年甚至幾十億年。越大的黑洞吞噬恒星的速度越快,如太陽(yáng)質(zhì)量430萬(wàn)倍的人馬座A*黑洞,吞噬一顆恒星的速度也需要上萬(wàn)年;而質(zhì)量為太陽(yáng)65億倍的M87星系黑洞,吃掉一顆恒星只需要10年。

目前發(fā)現(xiàn)的宇宙最大黑洞,如質(zhì)量為太陽(yáng)的660億倍TON618的黑洞,還有前面說(shuō)的1040億倍太陽(yáng)質(zhì)量的SDSS J073739.96+384413.2黑洞,吞噬恒星的速度則以月計(jì),一年就可吃掉數(shù)顆到十?dāng)?shù)顆恒星。

但黑洞吸食恒星不會(huì)囫圇吞棗全部吃掉,相當(dāng)大的一部分會(huì)被“漏掉”,就是在吃相難看的過(guò)程,產(chǎn)生物質(zhì)噴流和能量迸發(fā)而跑到遙遠(yuǎn)的太空了,如科學(xué)家們觀測(cè)到人馬座A*兩極噴流的長(zhǎng)度達(dá)到上百萬(wàn)光年,比銀河系直徑還大幾倍,這些被噴走的物質(zhì)是回不來(lái)的。

因此,科學(xué)家們認(rèn)為,宇宙年齡才138億歲,恒星級(jí)黑洞再怎么吃也吃不下多少恒星,宇宙超大質(zhì)量黑洞不可能是恒星級(jí)黑洞靠吃恒星慢慢長(zhǎng)大的,只能是宇宙大爆炸初期超大星云坍縮而成,或者是宇宙中大團(tuán)暗物質(zhì)坍縮而成。

那么黑洞來(lái)到太陽(yáng)系會(huì)發(fā)生什么呢?

這只能是一種假設(shè),因?yàn)楹诙磥?lái)到太陽(yáng)系的概率很小。假設(shè)真有黑洞來(lái)探訪人類(lèi),后果怎樣就要看這個(gè)黑洞有多大了。

如果是超大型黑洞,比如銀河系核心那個(gè)430萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量黑洞,距離太陽(yáng)10光年的位置,影響就很大了。根據(jù)逃逸速度公式計(jì)算,此時(shí)太陽(yáng)要逃出這個(gè)黑洞的引力,速度就需要110km/s了。

目前,太陽(yáng)一直在圍繞著銀河系中心公轉(zhuǎn),速度約為250km/s。因此黑洞在距離10光年位置雖然還拉不住太陽(yáng),但已經(jīng)會(huì)對(duì)太陽(yáng)系產(chǎn)生很大擾動(dòng),各大行星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)被破壞了。隨著黑洞的不斷靠近,當(dāng)?shù)竭_(dá)比鄰星位置時(shí),也就是距離太陽(yáng)系4.2光年,太陽(yáng)相對(duì)黑洞的逃逸速度需要169km/s,受到的擾動(dòng)會(huì)越來(lái)越大。

當(dāng)黑洞到達(dá)距離太陽(yáng)1光年距離時(shí),太陽(yáng)位置的逃逸速度已經(jīng)達(dá)到了348km/s,整個(gè)太陽(yáng)系就已經(jīng)成為甕中之鱉,再也逃不掉了。漸漸,太陽(yáng)系會(huì)以每秒300多公里的速度向黑洞飛去,隨著距離越來(lái)越近,速度會(huì)呈指數(shù)級(jí)加快,太陽(yáng)和所有行星很快就解體了,都會(huì)成為黑洞吸積盤(pán)中的高溫等離子體了。

因此,只要隨便一個(gè)超大黑洞到來(lái),整個(gè)太陽(yáng)系就會(huì)很快崩潰消失了,不存在吞掉太陽(yáng)后,太陽(yáng)系還會(huì)怎樣的問(wèn)題。比人馬座A*質(zhì)量大很多的黑洞,就更不用說(shuō)了。

如果一個(gè)恒星級(jí)黑洞來(lái)到太陽(yáng)系,雖然是殊途同歸,最終都免不了被吞噬的下場(chǎng),但過(guò)程會(huì)有些不一樣。一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量3倍的黑洞闖入太陽(yáng)系,距離太陽(yáng)系還有1光年以上的時(shí)候,太陽(yáng)系木星以外的行星就會(huì)背離太陽(yáng),都繞著黑洞轉(zhuǎn)了;太陽(yáng)和金木水火等四顆類(lèi)地行星會(huì)被黑洞拉扯著靠近。

地球公轉(zhuǎn)軌道的紊亂和速度變化,會(huì)導(dǎo)致地球板塊漂移和變形,火山地震海嘯等地質(zhì)災(zāi)難遍布全球,生物將遭受到毀滅性打擊。隨后所有星球軌道重新洗牌,有的被黑洞撕裂而吞噬,有的可能會(huì)形成圍繞黑洞公轉(zhuǎn)的新軌道。

太陽(yáng)一定會(huì)被撕裂,表面等離子體形成一條細(xì)長(zhǎng)的火龍飛向黑洞,隨著黑洞靠近,太陽(yáng)整個(gè)崩潰,成為黑洞的吸積盤(pán),經(jīng)過(guò)10年細(xì)嚼慢咽,最終一部分能量迸發(fā)噴流到了太空,其余的物質(zhì)全部被黑洞吞入。

在這個(gè)吞噬過(guò)程中,不斷爆發(fā)出巨大的能量,如果這時(shí)候地球還存在,上面的所有生物都將被烤焦消失。當(dāng)太陽(yáng)被吞噬殆盡,黑洞歸于寂滅而隱身時(shí),引力尚在,如果地球仍然幸存,在距離黑洞2億千米的位置,公轉(zhuǎn)速度就需要達(dá)到48km/s左右。

但此時(shí)的地球已經(jīng)沒(méi)有光和熱,沉浸在一片漆黑中,溫度逐步下降到-270攝氏度左右,一切皆被凍結(jié),成為一顆黑暗的死星,生命將不可能重啟。

今天就說(shuō)到這,感謝閱讀,歡迎討論。

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標(biāo)簽: 太陽(yáng)質(zhì)量 逃逸速度 恒星級(jí)黑洞

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