黑洞到底是什么?真的能吞噬一切物质吗?
黑洞可以吞噬任何我们已知存在的东西,信息、物质、能量都不能幸免。那为什么黑洞会有这么大的破坏力呢?
黑洞的引力
在宇宙中,有个江湖规矩被叫做: 质量为王 。意思就是说,质量越大越有地位,如果质量超过太阳质量的7%,那就会成为一颗恒星,而小于这个数值要么是一颗褐矮星,要么就是行星,再不济就是矮行星或者小行星。
而同样是恒星,质量不同,寿命也会不同,结局也不同,像太阳最终会变成一个白矮星;而质量大于8倍以上太阳质量的恒星,最终可能会变成中子星或者黑洞。
那为什么质量会如此重要呢?这是因为质量和引力有关,通过牛顿的万有引力定律,我们知道引力与天体的质量成正比。
一个飞行器要绕着一个天体飞行时,至少是需要达到这个天体的第一宇宙速度,比如说,地球的第一宇宙速度就是7.9km/s,当飞行器达到这个速度就可以绕着地球飞行了。
如果让飞行器的速度加快,超过根号二倍的第一宇宙速度时,这时候的速度就可以让飞行器摆脱地球引力的束缚,飞离地球,这也被叫做 第二宇宙速度 。同样的,不同的天体有不同的第二宇宙速度,地球的第二宇宙速度是11.2km/s。
无论是第一宇宙速度和第二宇宙速度其实都和天体自身的质量有关,质量越大,所需的速度就越大。而黑洞的奇葩之处在于,它的引力十分巨大,大到第二宇宙速度远比光速还要高。这就使得任何低于或者等于光速的东西都会被黑洞吸进去,而无法逃逸。
我们知道,根据爱因斯坦狭义相对论的“光速不变原理”的假设,我们可以推出,任何物质、信息、能量都无法超越光速,因此,我们已知的物质都会被黑洞所吞噬。
当然,以上我们只是通过牛顿力学来理解这件事,但我们要知道的是,牛顿的万有引力定律只适用于弱引力场,在强引力场误差会特别大,这时候我们需要用广义相对论来理解这件事。爱因斯坦认为:引力的本质是时空的弯曲。
地球之所以能够绕着太阳转,是因为太阳压弯了周围的时空,地球沿着时空的测地线(也就是四维时空中的“直线”)在运动,如果切换到二维平面就是这下面这样:
所以,惠勒曾经总结广义相对论对于引力本质的解释时说到: 时空告诉物质如何运动, 物质告诉时空如何弯曲。
太阳会使得时空弯曲,其实黑洞也是如此,但是它和太阳不一样的是,黑洞对于时空的弯曲程度十分剧烈,以至于在周围的物质如果沿着测地线运动都会掉落到黑洞当中,光也不例外。
因此,我们会发现,无论从哪个角度来看,都能解释黑洞吞噬物质的原因。
有没有例外?
我们要知道宇宙中已知的物质只占了4.9%,剩余的都是暗物质和暗能量,占到了95%以上。
而我们现在知道,暗物质可能只参与引力和弱力,而暗物质和黑洞之间到底是什么关系,有没有交集,黑洞会不会吞噬暗物质,我们都还没有办法去下定论。这里的根本原因就在于我们对暗物质知之甚少,它会不会成为例外这一点目前还很难说。不过,和暗物质性质有点类似的中微子,穿透力也是极强,每秒钟有10万亿个中微子穿过我们的身体,我们都无法感知到。但是它也无法摆脱黑洞的魔爪,中微子遭遇黑洞也只能束手就擒。
最后,我们来总结一下, 目前已经探明的物质都没有办法逃离黑洞,无一例外。这是因为黑洞的巨大引力所造成的。
在所有的宇宙天体中,黑洞是引力最强的一种,在它的视界边缘,没有任何物质能逃过它的引力,就连小如光粒子和中微子也一样,可以说黑洞无所不吃,它真的能吞噬任何属于物质范畴的东西。
一个可以稳定存在的黑洞,是宇宙中除了同类之外最强大的事物,任何事物来到它的身边都别想再逃跑,除了因为霍金辐射而逃逸出去的基本粒子之外,迄今为止还没有发现有任何黑洞不吃或者吃不了的物质。
如果我们的地球这样体积和质量大小的星球变成一个黑洞的话,那么它的体积大概相当于一粒花生米的大小(史瓦西半径为0.88厘米),然而其质量大小还是我们地球的质量相同,如果这个黑洞能够稳定存在,那么当它来到我们地球上,这个小如花生米的东西,会把我们的地球拉碎,变成它的吸积盘,最终将把我们的地球给吞噬掉。
不仅是像地球这样的行星,无法抗拒黑洞的引力,就连像太阳这样大的恒星也一样无法抗拒,太阳的质量是地球的33万倍,然而花生米大小的地球级黑洞如果到达太阳表面的话,也照样可以大肆吞噬太阳的物质,最终将太阳整个吞噬掉,成为黑洞的一部分,不过这个黑洞的视界体积将变成直径6公里左右。
类似这样的事件也在宇宙之中发生着,今年1月时,美国宇航局凌日系外行星勘测卫星(TESS)就观测到了在距离我们3.75亿光年的地方有一个质量大约为太阳600万倍的黑洞撕碎了一颗太阳质量大小的恒星,并将其大量的物质吞噬掉。
也不仅是会吃行星和恒星,黑洞连自己的同类也一样吃,近日有美国福克斯新闻报道称,美国一所大学的天文小组发现有3个超大质量黑洞的运行轨道正互相缠绕在一起,而且距离非常近,都位于距离地球约10亿光年的SDSS J084905.51+111447.2星系系统中,这三个黑洞仿佛在打架,它们相互影响,都十分活跃,种种趋势表示它们即将合并在一起,成为一个更大规模的黑洞。
天文观测发现在大型星系的中心,几乎都会有存在一个大质量黑洞,这样的黑洞诞生于宇宙之初,开始的时候它们的质量并没有那么大,后来由于吸食了周围的恒星,行星以及小规模黑洞等大量的物质,质量才变得更大了起来,已知质量最大的黑洞是Ton618,质量为太阳的660亿倍。
黑洞是广义相对论中预言的一种天体,科学家认为宇宙中存在的一种极端的天体,引力非常强大,强大到逃逸速度大于光速,这样连光都无法逃脱天体的引力的控制。1916年,德国天文学家卡尔-史瓦西发现,爱因斯坦引力场方程有一个解,得出的结果是如果将足够质量的物质集中于空间某个,那么这个天体周围会产生奇异的现象,引力强大到连光都无法逃脱。这种看似不可能存在的天体就是黑洞,黑洞这个名称来自美国物理学家惠勒,因为光都无法逃脱,因此称之为黑洞。由此看出,黑洞是无法被直接观测到的,因为连反射光都没有,所以就谈不上观测,我们只能通过黑洞的一些表现间接知道它在哪儿。
只要进入黑洞视界内的天体物质都被会吸积,那么视界之外,就存在一个面,大量的还没有被吸积的物质聚集在这里,形成了吸积盘。被黑洞吞噬的天体最终会变成γ射线等形式,通过两极释放出来,从理论上看,足够大质量的黑洞,能够吞噬几乎一切的物质,至少我们目前还不知道哪些物质不会被黑洞吞噬。间接观测恒星或星际云气团可以发现,黑洞的吸积也是挑时间的,比如当有天体路过的时候,黑洞这时候才发威,不然黑洞处于隐蔽状态,无法很快判断它的位置。能吞噬大量物质的依然是超大质量黑洞,位于星系中心,几乎每一个星系都有超大质量黑洞存在。