關(guān)于黑洞，你的了解有多少？

天體物理學(xué)家告訴你三個(gè)關(guān)于黑洞的真相

(資料圖片)

有光冕的黑洞（公共域）

就我所知，人們對(duì)黑洞的誤解主要有以下三個(gè)：

誤解一、星系圍繞其中心的黑洞旋轉(zhuǎn)。

在我們熟悉的太陽(yáng)系里，一眾的行星、小行星、以及諸如冥王星之類徒有虛名的巖塊，都圍繞一個(gè)中心天體運(yùn)動(dòng)。天文學(xué)家稱之為開(kāi)普勒系統(tǒng)，即符合開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)定律的系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)里，絕大部分系統(tǒng)總質(zhì)量集中在中心天體上，其他天體因此可以被看作理想化的實(shí)驗(yàn)粒子。它們遵循開(kāi)普勒定律沿橢圓軌道圍繞巨大的中心天體公轉(zhuǎn)，平均軌道速度隨著遠(yuǎn)離中心天體而減小。

很多人覺(jué)得在星系里也是一樣，恒星和星云都圍繞星系中心的黑洞運(yùn)動(dòng)。但事實(shí)并非如此。我們都知道恒星運(yùn)行的軌道速度與它們的軌道半徑基本上沒(méi)有關(guān)系，因此整個(gè)星系并不是開(kāi)普勒系統(tǒng)?，F(xiàn)在我們已經(jīng)能夠估算出包括銀河系中心的人馬座A*（Sagittarius A*）在內(nèi)的一些黑洞的質(zhì)量，我們可以更精確地進(jìn)行計(jì)算。我們可以算出星系中心黑洞的引力范圍，在這個(gè)大致為球狀的范圍里黑洞的引力勢(shì)能壓倒了各星系本身的引力。具體計(jì)算方法如下：

其中MH為黑洞的質(zhì)量，σ為恒星的離散速度。

代入人馬座A*的數(shù)值，我們可以得出它的引力范圍的半徑約為3秒差距（1秒差距=3.26光年。除非是在接受媒體采訪，否則天文學(xué)家基本不會(huì)用到“光年”作為距離單位）。這在整個(gè)銀河系里是非常小的一個(gè)區(qū)域，它的意思是在銀河系2000多億顆恒星里，真正意義上圍繞人馬座A*公轉(zhuǎn)的只有100多顆。而我們的太陽(yáng)系距離銀河系中心8000多秒差距，位于靠近星系中心的三分之一半徑處。

其實(shí)只要把人馬座A*的質(zhì)量與銀河系的質(zhì)量做一個(gè)比較，我們就能看出人馬座A*在引力上的影響多么的微不足道。人馬座A*的質(zhì)量約等于360萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)系，而整個(gè)銀河系的恒星、氣體和暗物質(zhì)加在一起大概等于1012個(gè)太陽(yáng)系。兩者間的差距是百萬(wàn)級(jí)的。

誤解二、黑洞會(huì)吞掉它周圍的所有物體。

如上所述，我們了解到黑洞引力范圍之外的恒星并不是繞黑洞公轉(zhuǎn)的。那么問(wèn)題來(lái)了，人馬座A*周圍3秒差距范圍內(nèi)的100多顆恒星，它們是否應(yīng)該擔(dān)心自己某天會(huì)被當(dāng)成點(diǎn)心吞掉呢？

首先，黑洞的引力與其他有質(zhì)量的物體產(chǎn)生的引力并無(wú)不同。中心天體的引力不會(huì)使周圍的天體掉落（除非該天體在中心天體參照系中軌道切線上的速度為零），而是使之圍繞中心運(yùn)行。地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)了45億年而沒(méi)有掉到太陽(yáng)上去，就是這個(gè)道理。假如把太陽(yáng)換成一個(gè)具有相同質(zhì)量的黑洞，地球的運(yùn)行也不會(huì)有任何不同，這是由于牛頓的角動(dòng)量守恒定律決定的。

需要特別說(shuō)明的是：根據(jù)廣義相對(duì)論，繞黑洞運(yùn)行的天體軌道會(huì)出現(xiàn)超出牛頓力學(xué)范疇的歲差，而這些歲差只有在非常接近視界的地方才會(huì)變得明顯。接下來(lái)我將說(shuō)明，一般情況下如果你去到離黑洞那么近的地方，你面臨的問(wèn)題可比軌道歲差要嚴(yán)重的多。

對(duì)于那100多顆在人馬座A*周圍3秒差距之內(nèi)的恒星來(lái)說(shuō)，它們需要擔(dān)心的是我們稱之為潮汐效應(yīng)（俗稱意面化）的問(wèn)題。之所以會(huì)發(fā)生潮汐效應(yīng)是因?yàn)橐εc距離平方成反比。當(dāng)恒星太過(guò)靠近黑洞時(shí)，它面向黑洞的一側(cè)受到的引力會(huì)遠(yuǎn)大于另一側(cè)。當(dāng)它和黑洞的距離縮小至某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，來(lái)自黑洞的潮汐力超過(guò)恒星自身的重力，恒星將被撕裂，恒星物質(zhì)將被黑洞吸進(jìn)肚子里。那么這個(gè)臨界的距離是多少？通過(guò)如下計(jì)算我們可以算出黑洞的潮汐半徑：

其中M*和R*是被吞噬恒星的質(zhì)量和半徑。

代入太陽(yáng)和人馬座A*的數(shù)據(jù)，我們得出人馬座A*的潮汐半徑是1億公里，還不到1個(gè)天文單位（1天文單位等于地球到太陽(yáng)的平均距離），相比它3秒差距的引力范圍實(shí)在是微不足道。而那100多顆引力范圍內(nèi)的恒星全都遠(yuǎn)在潮汐半徑之外，比如我們所知的最近人馬座A*的SO-2恒星，它最靠近的時(shí)候離黑洞還有120個(gè)天文單位呢。

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題我本該就此打住的，但我想利用這個(gè)機(jī)會(huì)介紹另一項(xiàng)黑洞物理學(xué)的非凡成就。

如果說(shuō)在星系不斷演變的過(guò)程中，許多恒星的運(yùn)行軌道可能落入黑洞的潮汐半徑內(nèi)而淪為其獵物，那么黑洞的胃口能有多大呢？

由于被捕獲的恒星相對(duì)黑洞仍然在轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由于角動(dòng)量守恒，恒星上的物質(zhì)不會(huì)直接跌入黑洞，而是在黑洞周圍形成一個(gè)吸積盤(pán)。盤(pán)內(nèi)的物質(zhì)相互摩擦導(dǎo)致它們不斷向吸積盤(pán)深處移動(dòng)，最后進(jìn)入黑洞視界。在這個(gè)過(guò)程中，物質(zhì)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，釋放出輻射。而輻射產(chǎn)生壓力，這個(gè)壓力和引力類似，與距離平方成反比。最終輻射產(chǎn)生的壓力與潮汐引力達(dá)到平衡，此時(shí)吸積率也達(dá)到最大值。吸積率的峰值只與黑洞的質(zhì)量相關(guān)，也就是我們說(shuō)的愛(ài)丁頓極限（由于愛(ài)丁頓極限以球?qū)ΨQ為前提，且假設(shè)吸積物質(zhì)僅為離子化的氫，計(jì)算結(jié)果僅為近似值）。

回到人馬座A*，它的最大吸積率約為每年百分之一太陽(yáng)系物質(zhì)總量，同時(shí)產(chǎn)生約1011L⊙的亮度，即相當(dāng)于1000億倍太陽(yáng)亮度，大致等于銀河系所有恒星的亮度總和。

綜上所述，黑洞并非毫無(wú)節(jié)制的吞食者，它們?cè)诔赃M(jìn)去的同時(shí)也沒(méi)少吐出來(lái)呢。

誤解三、黑洞的密度都超級(jí)大。

的確，小型黑洞的密度極大。但那些位于星系中心的大型黑洞就沒(méi)有那么致密了。

這可以簡(jiǎn)單地表示為：

請(qǐng)注意，黑洞并沒(méi)有通常意義上的半徑，因此無(wú)法明確定義其體積和密度。但如果把視界看成黑洞的邊界，我們將得到：

代入數(shù)值后得出：

對(duì)于一個(gè)質(zhì)量和普通恒星相當(dāng)，約為10M⊙（即10倍太陽(yáng)質(zhì)量）的黑洞來(lái)說(shuō)，它的密度大概為10^16千克/立方米，即水密度的1千萬(wàn)個(gè)百萬(wàn)倍。據(jù)估計(jì)，這樣的黑洞銀河系里約有1億個(gè)。

而人馬座A*的密度約為10^6千克/立方米，約等于水密度的1千倍。值得一提的是，人馬座A*的個(gè)頭在如銀河系規(guī)模的星系里真是非一般的小啊。

那么在一個(gè)規(guī)模過(guò)得去的星系里，一個(gè)典型的超巨型黑洞應(yīng)該是怎樣的呢？它的質(zhì)量應(yīng)該約為(10^8)M⊙（1億倍太陽(yáng)質(zhì)量），密度應(yīng)該約為100千克/立方米（水密度的十分之一）。

目前已知最大的一個(gè)超巨型黑洞位于NGC1600星系中心，它的質(zhì)量有170億個(gè)太陽(yáng)那么大。而它的密度則只有0.01千克/立方米，相當(dāng)于水密度的十萬(wàn)分之一，也相當(dāng)于地球上海平面大氣密度的百分之一。

BY: Renee

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