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黑洞吃恒星和行星的过程(黑洞吞食恒星)

在宇宙中,黑洞是顶级天体,它处于食物链的顶端,大小通吃,比黑洞大很多的恒星,只要靠近黑洞,也无可奈何的被黑洞吞噬。

为什么黑洞有这么大的能量和本领呢?

这个问题常常引起一些人误解,认为黑洞就是因为其为一个极端的天体,就该吃掉一切。

还有的认为黑洞虽小,质量很大,所以能够吞噬一切;更多的认为是黑洞引力极大,才导致这种现象。

这些似乎说的都有道理,但最根本的本质是什么,却有很多人说不清楚。

我们这次就来彻底分析一下,把黑洞通吃的根源弄清楚。

黑洞的引力其实与任何同等质量天体是一样大的

事实上,只要是这个世界上的物体,都必须遵循万有引力定律,黑洞也不除外。因此黑洞的引力并不比同等质量的恒星大,而是一样大。

万有引力是人类发现的第一种基本力,是迄今发现的四种基本力中的一种,艾萨克·牛顿最伟大之处,就是发现了万有引力,并给出了它的定律。

牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中,提出了万有引力定律,这个定律启蒙了人类文明,揭示了世上万物的运动规律,指导了人间科学三百多年。

万有引力的本质是质量对时空的扭曲。这一点虽然牛顿时代并没有给出,一直到爱因斯坦1915年发表的广义相对论才予以揭示,但牛顿的万有引力定律迄今仍然是人类认识世界最基本的基石。

万有引力定律表达式为:F=GMm/r²

式中,F为引力值,G为引力常量(6.67x10^-11N·m²/kg²),M和m是相互影响天体质量,r为天体之间距离。

在这个定律中,引力的大小是与质量成正比,与距离平方成反比的。因此同等质量的恒星与同等质量的黑洞引力就是一样大的。

目前我们发现的黑洞,最小的有太阳质量的3倍多,而已知最大的恒星r136a1,质量是太阳的265~300倍。

那么3倍太阳质量的黑洞能吃掉300倍太阳质量的恒星吗?答案是肯定的。只要r136a1靠近黑洞,再小的黑洞也会吃掉它。

既然同等质量的黑洞和恒星引力是一样的,为什么黑洞就一定会吃掉恒星呢?

这就要说到黑洞之所以是天体食物链顶端的最根本原因了,那就是“小”。在同等质量的天体中,黑洞体积是最小的。

“小”才是黑洞最强大的武器。而这一点正是引力定律中根本的一点:引力大小与天体之间距离平方成反比。

但这个距离不是表面到表面,而是质心起算的距离。

恒星质心到表面距离很大,引力衰减的就很大;黑洞表面到质心的距离很短,表面引力就大到极端,通吃一切。

那么黑洞的“小”,小到什么程度呢?这就不得不说到这个世界上最小的极限~史瓦西半径。

史瓦西半径

何为史瓦西半径?这是1916年,德国天文学家、物理学家卡尔·史瓦西,根据刚刚问世不久的广义相对论,得出了爱因斯坦引力场论的一个精确解。

他发现任何有质量的物体都有自己的压缩到最小的一个临界半径值,这个临界值是一个球状对称。

极大压力下,所有物质质量一旦被压进这个半径以内,就会出现奇异的现象:所有物质将无限坠落到中心无限小的奇点,而在临界半径球形范围出现无限引力场,在这个引力场里,任何物质都无法跳脱,包括光。

这个半径与质量成正比,质量越大这个球就越大。

这就是后来人们称为的“黑洞”。

人们把这个临界半径就叫史瓦西半径,以纪念发现它的卡尔·史瓦西。

计算这个半径的公式为:

R=2GM/C²

式中,R为史瓦西半径(m),G为引力常量,从、C为光速。

根据这个公式,一座喜马拉雅山的史瓦西半径只有纳米级,纳米有多大?就是100万分之一毫米。

地球的史瓦西半径约9毫米,太阳的史瓦西半径约3000米,r136a1的史瓦西半径约795000~900000米,也就是约795~900公里。

任何天体一旦接近黑洞的史瓦西半径,就会万劫不复。

这就是再大的恒星或其他天体,也会被黑洞吞噬的原因。

理论上宇宙中最小的黑洞不小于太阳质量的3倍。

3倍太阳质量黑洞的史瓦西半径只有9000米,也就是9公里大,当天体物质靠近到它半径的9公里范围时,才会被无限引力所控制。

宇宙中最大的恒星r136a1半径达到2436万公里,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,遇到逃逸速度大于30万公里的黑洞,还有活路吗?

因此,黑洞之所以吞噬一切,主要是因为它“小”。

现在我们知道了,同等质量的天体,不管是黑洞,还是中子星、白矮星、恒星,在同等距离,引力都是一样的。

问题是其他的天体质量与体积之比都大于黑洞,所以表面引力就完全不一样。

中子星质量与体积之比比白矮星小;白矮星质量体积之比比一般恒星小,这样,恒星不但在黑洞面前,即便在中子星和白矮星面前,都只有被吃掉的结果。

不过中子星和白矮星都有一个质量临界点,吃多了就撑爆肚子,发生超新星爆炸,然后继续坍缩升级。

这两个临界点叫钱德拉塞卡极限和奥本海默极限。

前者是白矮星极限,质量达到太阳的1.44倍,就会发生爆炸,坍缩成一个中子星;后者是中子星极限,到达太阳质量的3倍左右,就会发生爆炸,坍缩成一个黑洞。‘

任何天体坍缩到了黑洞这一级,就到顶了。

黑洞就没有撑爆肚子这个后顾之忧了,它永远也撑不饱,通吃通消化,偶尔打个饱嗝(喷发出高能射线),长到再大,还是黑洞。

距离我们104亿光年有一颗迄今已知最大的黑洞,坐落在猎犬座编号为TON618,已经有太阳质量的660亿倍,还在不停的吞噬着周边的天体物质,每年要吞掉4、5颗恒星。

引力大小最直观的表现,就是天体表面的逃逸速度。

逃逸速度是根据动能公式和万有引力公式来计算的。

引力势能表达式为:E(r)=∫(GMm/r^2)dr=-GMm/r(以无穷远为零势能)

能量守恒表达式:mv^2/2=0-E(r)

r取天体半径时,可以得到逃逸速度公式:v=√(2GM/R)

式中,v为逃逸速度;G为引力常数,取值6.67x10^-11N·m²/kg²;M为天体质量;R为天体半径。

这样我们可以看到,一个天体的逃逸速度,是与天体质量和半径关联的,因此天体质量再大,由于其半径很大,逃逸速度就并不比质量小的星球大。

根据公式计算,黑洞史瓦西半径内逃逸速度大与光速,地球的逃逸速度为11.2公里/秒,太阳逃逸速度为617.7公里/秒。

已知质量最大的恒星是r136a1,其质量是太阳的约265~300倍,其逃逸速度是多少呢?

r136a1半径为太阳的35倍来计算,根据太阳表面逃逸速度,我们可以测算出r136a1的逃逸速度为:

v2=v1x√(265/35)≈1700或v1x√(300/35)≈1808km/s

式中,v2为r136a1逃逸速度,v1为太阳逃逸速度。

我们可以看到,r136a1的逃逸速度才达到1700~1808公里/秒,而黑洞的逃逸速度大于光速,每秒大于30万公里,二者根本不是一个量级。

因此,一个逃逸速度才1808公里/秒的天体,能逃过逃逸速度大于光速的黑洞蹂躏吗?即便r136a1遇到再小的黑洞,也只有乖乖束手就擒。

现在明白了吧?这才是黑洞横行整个宇宙,一切通吃的根源。

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