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黑洞是怎樣形成的?如果太陽變成了黑洞,地球會被吞噬嗎?

2024-01-12科學

黑洞是宇宙中最神秘的天體之一,你可以把它理解成一種空間中的點,它的品質非常大,而體積非常小,因此它的重力非常強,以至於什麽都逃不出它的吸引,甚至連光都不行。黑洞可以吞噬周圍的物質,包括恒星、行星、彗星、塵埃和瓦斯。但是,黑洞真的能吃掉任何型別的星球嗎?答案是:不一定。

黑洞並不是一個無底洞,它們也有一定的大小和形狀。黑洞的邊界叫做事件視界,它是一個球形的表面,任何進入這個表面的物質都無法返回。事件視界的半徑叫做施瓦茨希爾德半徑,它和黑洞的品質成正比。也就是說,黑洞越重,它的事件視界就越大。

如果一個星球靠近一個黑洞,它會受到黑洞的重力的影響,但是這並不意味著它就一定會被吞噬。事實上,如果一個星球的軌域速度足夠快,它可以繞著黑洞旋轉,就像地球繞著太陽一樣。

這種情況下,星球不會掉進黑洞,而是形成一個穩定的軌域。當然,這個軌域的半徑必須大於黑洞的事件視界,否則星球就會被黑洞吞噬。

黑洞到底是什麽呢?

要了解黑洞的形成,我們首先要了解恒星的生命。恒星是由瓦斯和塵埃組成的巨大球體,它們的內部發生著核融合反應,這就是它們發光的原因。這種能量不僅讓恒星發光,而且也讓恒星保持穩定的形狀。

因為恒星的內部有著巨大的重力,試圖讓恒星塌縮,而核融合反應產生的能量則形成了向外的壓力,抵抗重力的作用。這樣,恒星就達到了一種平衡狀態,就像一個氣球一樣,既不會膨脹,也不會縮小。

但是,這種平衡狀態並不是永久的。當氫元素用完了,核融合反應就會停止,向外的壓力就會減小,而重力則不會改變。這時,恒星就會開始塌縮,溫度和密度也會增加。如果恒星的品質足夠大,它的核心就會達到一定的溫度,開始發生新的核融合反應,把氦元素轉化為碳元素。這樣,恒星又會恢復平衡,但是它的外層會膨脹,形成紅巨星。

這個過程會不斷重復,恒星的核心會繼續塌縮,同時發生更高級的核融合反應,產生更重的元素,比如氧,矽,鐵等。每一次核融合反應都會讓恒星的外層膨脹,最終形成一種叫做超新星的巨大恒星。超新星的核心是由鐵元素組成的,而鐵元素是核融合反應的終點,它不能再轉化為更重的元素,也不能釋放出能量。這意味著超新星的核心沒有任何東西可以抵抗重力了,它會在極短的時間內完全塌縮,產生超新星爆發。這種爆炸會把超新星的外層拋向空間,形成一種美麗的星雲,而超新星的核心則會留在原地,成為一種非常密集的天體。

這種天體的密度是多少呢?想象一下,如果你把地球壓縮到一個桌球的大小,它的密度就會達到這種天體的密度。這種天體叫做中子星,它是由中子組成的,中子是原子核的一種組成部份。中子星的重力非常強,但是它還有一種叫做簡並壓力的力,它是由量子力學的原理決定的,它可以阻止中子星進一步塌縮。簡單地說,簡並壓力是由於中子之間的排斥作用,它使得中子星保持了一定的體積,而不會變成一個點。

如果超新星的核心的品質超過一定的極限,大約是太陽品質的三倍,那麽簡並壓力就不夠強,無法抵抗重力了。這時,中子星就會繼續塌縮,直到它變成一個沒有體積,只有品質的點,這就是黑洞的誕生。

回到剛才的話題,什麽樣的星球能夠形成不被黑洞吞噬的穩定軌域呢?這取決於黑洞的品質和星球的品質、密度、距離和速度。一般來說,品質越大、密度越高、距離越遠、速度越快的星球,更容易繞著黑洞旋轉,而不是被吞噬。相反,品質越小、密度越低、距離越近、速度越慢的星球,更容易被黑洞吞噬。

假設我們的太陽變成了一個黑洞,它的品質不變,但是它的半徑縮小到了 3 公裏,這就是它的事件視界的半徑。那麽,地球會不會被這個黑洞吞噬呢?答案是:不會。因為地球的軌域半徑是 1.5 億公裏,遠大於黑洞的事件視界半徑,而且地球的軌域速度是每秒 30 公裏,足夠快,所以地球可以繼續繞著黑洞旋轉,就像繞著太陽一樣。當然,地球上的生命會因為沒有了太陽的光和熱而滅絕,但是地球本身不會被黑洞吞噬。

這就無限類似於海洋中的漩渦,雖然進入漩渦的受力範圍,幾乎很難有生物能逃脫,但遠遠觀察,雖然依然驚心動魄,但安全上沒有任何問題。

但是,如果地球的軌域半徑縮小到了 10 萬公裏,或者地球的軌域速度降低到了每秒 10 公裏,那麽地球就會被黑洞吞噬。因為這樣的情況下,地球的軌域不再穩定,它會逐漸向黑洞靠近,直到掉進事件視界,消失在黑洞中。

同樣的道理,如果一個黑洞的品質很大,比如是一個超大品質黑洞,它的事件視界半徑也很大,那麽它就能吞噬更多的星球。超大品質黑洞通常存在於星系的中心,它們的品質可以達到數百萬到數十億倍的太陽品質,它們的事件視界半徑可以達到數百萬到數十億公裏。

這樣的黑洞可以吞噬整個星系中的大部份恒星和行星,除了一些距離很遠、速度很快的星體。

所以,黑洞吃不了什麽星球,取決於黑洞的品質和星球的品質、密度、距離和速度。沒有一個固定的答案,只有不同的可能性。如果你想知道一個具體的星球能否被一個具體的黑洞吞噬,你需要知道這些參數,然後用物理公式來計算。這是一個有趣的數學問題,也是一個有趣的科學問題。