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黑洞在宇宙中通吃一切,这种极端诡异力量从哪里来?

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这个问题违背了天体物理规律,因为宇宙中不可能存在6000倍太阳质量的恒星。爱丁顿极限理论认为,恒星质量是有天花板的,稳定恒星的最大质量上限约为150-200 倍太阳质量,超过此值,恒星将变得极度不稳定,难以长期存在。



在实际天文观测中,也没有发现如此巨大质量的恒星,迄今为止,最大质量恒星为坐落在距我们16万光年的矮星系大麦哲伦云里,名为R136a1,质量约为太阳的215倍,由于核心辐射压极大,热光度是太阳的600多万倍,恒星风达到每秒2600公里,外围物质损失极快,自诞生以来,已经损失了数十个太阳质量。

宇宙中最大的单个天体是黑洞,迄今发现最大的黑洞可达太阳质量的1000亿倍。

黑洞与恒星是两种完全不同层次的天体,黑洞是宇宙天体食物链的顶端,任何天体物质靠近黑洞,只有被黑洞吞噬的命运,恒星质量再大,也不可能对黑洞造成威胁。

原来,黑洞之所以有这种无比的诡异能量,是因为天体被极端压缩,压进了自身质量的史瓦西半径里,才能成为黑洞。

史瓦西半径是天文物理学家卡尔·史瓦西,根据爱因斯坦广义相对论发现的一个客观规律,就是是任何物质质量都存在的一个临界值,一旦压缩进了这个临界值,物质就会从我们这个世界消失,变成现代物理学无法解释的东西。



落入史瓦西半径的物质会被无限曲率卷缩进中心的奇点里,这个奇点是一个体积无限小,密度无限大,曲率无限高的怪胎。后来,人们把这个怪胎称为“黑洞”,只有黑洞,才将所有质量躲进了自己的史瓦西半径里,也可以说,一旦自身质量被压缩进了史瓦西半径,就是黑洞。

因此,史瓦西半径才是黑洞无比诡异力量的来源。

广义相对论预言在宇宙中就有这种黑洞存在,直到上世纪六十年代,天文学家们间接证实了黑洞的存在,2019年,科学家们通过事件视界望远镜(EHT)拍摄到了黑洞的照片。

黑洞曲率无限大,就是在黑洞里时空被扭曲到极端程度,无限坠落进入奇点,连光也不例外。时空曲率表现出来的就是引力,对抗引力,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。但黑洞的曲率无限大,也就是引力无限大,连宇宙速度的天花板,每秒30万公里的光速都无法逃脱,还有什么东西能够逃脱呢?

所以,黑洞在宇宙中就通吃一切。

恒星质量再大,但由于其是气态组成,密度相对极小。比如已知质量最大恒星r136a1,质量是太阳的约215倍,但其密度只有0.014克/立方厘米,是地球5.52克/立方厘米的约1/300,在其巨大体积的外围引力就已经极小了,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,就会被黑洞强大的引力拉扯成面条状慢慢吸食掉。



除非这颗恒星自己收缩到质量的史瓦西半径以内。也就是说像太阳这么大质量的恒星,半径收缩成只有3公里;r136a1这么大质量的恒星,半径收缩成645公里,这样就可以抗衡黑洞了。但现在的太阳半径有70万公里,r136a1半径有2700万公里,也就是说,太阳表面要缩减69.9997公里,r136a1表面要缩小2799.99355万公里,在接近核心的这个位置,其引力才能与黑洞抗衡。

由此,也说明黑洞的引力无限大,是控制在一个较小范围,不是在任何范围都是无限的。

否则,宇宙中黑洞如此之多,据估算,仅银河系就可能有1~10亿个之多,如果其影响范围很大,岂不早就没有恒星了?

准确的说,黑洞的引力大到连光速都无法逃逸,只是在其事件视界以内,也就是史瓦西半径以内。这个范围极小,可通过史瓦西半径公式R_s = 2GM/c^2来计算。这里的R_s 表示天体的史瓦西半径,G为万有引力常数,M为天体质量。

前面说的太阳史瓦西半径约为3公里,r136a1的史瓦西半径约645公里就是这样得来。同理,一颗20倍太阳质量的黑洞史瓦西半径约为60公里,只有靠近这个边界,才会被其强大的引力撕碎。



当然,黑洞强大的引力并不是完全靠近才突然产生的,而是随着靠近逐步加强的,一旦进入其事件视界(史瓦西半径),就有去无回了。

但要说比黑洞质量更大的恒星能不能战胜黑洞,则要看如何理解了。其实无论是黑洞,还是恒星、行星,只要质量同等,引力都是一样的。

只是黑洞密度无限大,体积极小,引力才变得极端起来。因此,只要距离黑洞足够远,黑洞的引力就会与普通天体一样了。所以,只要不是在黑洞“旁边”,也就是事件视界附近,就没有必要害怕黑洞的极端引力。

我们银河系有许多黑洞,有已经发现的,更多没有发现的,因为距离我们足够远,所以才对太阳系没有产生什么影响,太阳系以及地球和人类才能够悠哉游哉的继续生活,才能对这些黑洞指指点点评头论足。

在足够远的距离,引力影响就看谁的质量大了,因为万有引力还是遵循质量越大引力越大规律的,即遵循牛顿万有引力公式F=MmG/r^2。这里的F代表引力大小,M和m代表两个引力相互作用的大小天体,r表示距离。



在引力的绝对值方面,黑洞与恒星是同等的,在引力能够相互影响的足够远距离,恒星与黑洞就可以比质量了,谁的质量大就有主导权。从这个意义上来说,大质量的恒星就能够战胜黑洞了。

比如我们地球如果是一颗黑洞,史瓦西半径就只有约9毫米,在这个位置还是会受到太阳牵制,围绕着太阳公转。但目前宇宙中没有地球质量这么小的黑洞,太阳质量的黑洞也没发现,最小的黑洞约为3倍太阳质量,这是典型的恒星级黑洞。

这符合恒星黑洞形成理论,也就是一颗大于30~40倍太阳质量的恒星,在演化末期超新星爆发后,就有可能留下一颗3倍以上太阳质量的黑洞。

其实两个引力相互作用的天体,严格说来并非是小天体围绕着大天体运动,而是大小天体都围绕着两个天体共同形成的质心运动,由于质心更靠近大天体,看起来就像小天体围绕着大天体运动而已。



太阳系也是如此,由于太阳在太阳系的质量占据了99.86%,木星又占据了除太阳外其他所有天体质量总和的70%,因此,太阳系的公同质心总会随着木星与太阳的距离变化而变化,有时在太阳表面以下,有时在表面之外的附近。而所有行星距离质心都较远,看起来就是绕着太阳公转。

黑洞与恒星由于引力形成的双星运动,也是相互围绕着共同质心运动。

天文学界通过 X 射线观测、多普勒频移测量等手段,已确认多个此类系统。如距离我们7000多光年,人类发现的首个黑洞~天鹅座 X-1,就是由一颗约20~40倍太阳质量的超蓝巨星 HDE 226868,与质量约太阳21倍的致密伴星(黑洞)组成,它们相互围绕着共同质心公转,由于两星距离只有约0.2AU(约3000万公里),黑洞不断吸积着蓝超巨星的恒星风,由此发出强烈的X射线。

还有 LMC X-3(大麦哲伦云的 X 射线双星)、 Cygnus X-3(沃尔夫 - 拉叶星伴星系统)、MAXI J1659-152(轨道周期最短的黑洞双星)、LMC X-3(第一个被确认的河外黑洞双星系统)等等,都是恒星与黑洞组合成的双星系统,是双方引力作用下形成的共存系统。



所以无论是恒星质量大,还是黑洞质量大,只要双方距离在一个恰当位置,恒星不会被黑洞吃掉,但双方又在引力相互作用范围,就会各自安好,按照万有引力逻辑,形成双星运动系统。

结论:史瓦西半径是黑洞产生无比诡异力量的源泉,由于史瓦西半径极小,黑洞抗衡大质量天体的前提,是相互靠得足够近,如果距离较远,质量依然是衡量引力大小的金标准。

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