假如一個體積僅為一立方厘米的黑洞,逐漸靠近我們的地球,會帶來什么后果?
黑洞本身的實質集中于奇點,奇點理論上沒有體積,或者說其體積無限小 。
當我們提及一立方厘米的黑洞時,這里指的是黑洞的史瓦西半徑所對應的球形體積 。依據球體積公式 來計算,體積為 1 立方厘米的黑洞,其史瓦西半徑約為 0.62 厘米 。
與之相比,我們地球的史瓦西半徑約為 9 毫米,由此可見,這個黑洞的質量比地球要小 。
那么,這個看似小巧的黑洞究竟質量幾何?這需要借助史瓦西半徑公式來計算:
(其中 R 為史瓦西半徑值,G 為引力常量,M 為天體質量,c 為光速) 。
將 0.62 厘米的史瓦西半徑代入公式,可得出這個黑洞的質量約為4.18x10^24kg千克,大約是地球質量的 70%,約為火星質量的 6 倍,比金星質量略小一些 。
在現實宇宙中,如此小質量的黑洞極為罕見 。
理論上,在宇宙大爆炸的早期階段,可能會產生許多原初黑洞,它們質量微小,但時至今日,科學家們尚未發現確鑿的證據 。
目前所探測到的黑洞,大多是由大質量恒星在生命末期發生爆炸后形成的 。
通常情況下,形成這類黑洞的原恒星質量需在 40 倍太陽質量以上,或者當中子星的質量達到奧本海默極限(約 3 個左右太陽質量)時,才會坍縮成為一個黑洞 。因此,當前發現的宇宙黑洞,最小質量也在 3 倍太陽質量以上 。
除了極小質量(原子質量級別)的黑洞會在瞬間蒸發外,稍大質量的黑洞堪稱宇宙食物鏈的頂端,擁有著難以想象的強大引力 。
一般而言,只有黑洞吞噬恒星的份,恒星幾乎不可能吞噬黑洞,即便恒星的質量遠超黑洞 。例如,r136a1 恒星的質量約為太陽的 300 倍,但當它遭遇一個質量僅為 3 倍太陽質量的黑洞時,也只能淪為黑洞的 “盤中餐” 。
這是因為黑洞的引力具有極端特性,在史瓦西半徑以內,其時空曲率達到無限大 。
所謂曲率,是描述時空扭曲程度的物理量,而引力正是時空扭曲的外在表現 。在如此極端扭曲的時空中,引力變得無窮無盡,以至于在黑洞視界內,連光都無法逃脫其束縛 。
這也是為何黑洞本身難以被直接觀測到,人們只能在史瓦西半徑的臨界處,通過黑洞吸積盤所迸發的能量來間接感知它的存在,這個臨界區域被稱為黑洞視界 。
盡管黑洞的引力表現極為特殊,但其本質上依然遵循萬有引力定律 。
萬有引力定律表明,世界上一切物體,包括各種天體,它們之間的引力大小與相互作用物體質量的乘積成正比,與距離的平方成反比,即:
(其中 F 表示引力值,G 為引力常量,M 和 m 為相互影響的兩個物體質量,r 為物體質心之間的距離) 。
從這個定律可以看出,同等質量的黑洞與其他天體,如恒星,它們所產生的引力在本質上是相同的 。
然而,黑洞的特殊之處在于,其視界表面距離質心非常近,而恒星表面距離質心則相對較遠 。根據引力大小與距離平方成反比的性質,黑洞在其視界附近所表現出來的引力就顯得格外極端 。
以 r136a1 恒星為例,它的質量雖為太陽的 300 倍,但其半徑卻在 2088 - 2784 萬千米左右(太陽半徑為 69.6 萬千米) 。
若太陽坍縮成黑洞,其視界表面距離質心僅約 3000 米;若 r136a1 恒星變成黑洞,其表面距離質心則只有 90 千米 。
在這樣的尺度下,在黑洞視界以內,引力變得無限強大,在靠近黑洞視界處,引力也足以摧毀一切 。這就是為何任何恒星在面對黑洞引力時,都無法抵御而最終被吞噬的原因 。
當黑洞逐漸靠近地球時,除了其強大的引力,另一個極具破壞力的因素 —— 引潮力,將對地球產生毀滅性的影響 。
引潮力是由于物體具有一定體積,當引力源靠近時,物體不同部位受到的引力作用存在差異,從而導致物體受到引力不平衡而發生扭曲 。
以月球為例,盡管月球的質量遠小于地球,且與地球平均距離達 38.4 萬千米,但它對地球的引潮力依然產生了諸多顯著影響,如引發地球上的漲潮落潮現象,影響地球的板塊運動以及大氣環流等 。
一個體積約 1 立方厘米的黑洞,雖然從尺寸上看微不足道,但其質量卻接近金星 。要知道,月球質量僅為金星的 1/57,而當這個黑洞靠近地球時,其對地球產生的引潮力絕非月球所能比擬,它將對地球形成強大的潮汐瓦解作用 。
潮汐瓦解正是黑洞吞噬天體的基本過程 。在黑洞強大的引潮力作用下,天體將被極端扭曲,逐漸被一點點撕碎,然后黑洞會吸食這些被撕碎的碎片 。
有人曾形象地比喻,當一個人靠近黑洞時,如果腳部朝著黑洞,由于引力對人的腳部和頭部的作用差異巨大,人會像被拉扯牛皮糖一樣,身體被拉得很長很長,腳部可能細如發絲,而頭部卻還相對完好 。
當然,這只是一種形象的描述 。實際上,在黑洞的潮汐力和吸積盤巨大的角動量共同作用下,任何物體都會被扯得粉碎,在超高速旋轉中被分解成基本粒子,并迸發出熾熱的超高溫光芒以及 X 射線等高能射線 。
根據引力定律,這個史瓦西半徑為 0.62 厘米的黑洞,當其靠近地球時,產生的引力效果相當于金星靠近地球時的引力 。
倘若真的是金星靠近地球,在距離地球 8189 公里時,金星將到達洛希極限,進而被地球的引潮力撕碎解體 。但在此次假設中,面臨解體命運的將是地球 。當黑洞距離地球約 5000 千米時,其產生的引力效應等同于地球與金星相撞的威力 。
此時,地球將陷入一片混亂,翻江倒海,板塊紛紛崩潰,全球性的地質災難全面爆發 。地球上的所有物種在這場災難面前,都將面臨滅頂之災,萬劫不復 。
隨著黑洞與地球之間的引力拉扯作用不斷加劇,黑洞日益靠近地球,兩個天體開始相互圍繞著一個質心旋轉 。
在這個過程中,黑洞的引潮力對地球形成全面的潮汐瓦解 。
靠近黑洞的地球表面將輪番被撕碎掀起,成為黑洞超高速旋轉、超高溫熾熱的吸積盤,發出耀眼的光芒和高能射線,以一種摧枯拉朽、摧毀一切的態勢蠶食地球 。
在這樣的極端環境下,地球上的所有生物將瞬間滅絕,地球很快就會變成一個天翻地覆的死寂星球 。而這個黑洞則會慢慢 “享用” 地球這個 “戰利品” 。
需要注意的是,黑洞吃東西的速度并不快,越小的黑洞進食速度越慢 。像這種厘米級別的黑洞,要完全將地球吞噬,可能需要億萬年的時間 。當黑洞享用完地球后,其質量將增加到約 1.7 個地球大小,史瓦西半徑也將變為 1.52 厘米 。
當這個厘米級黑洞將地球吞噬后,在地球原本的軌道上,就會出現一個質量為地球 1.7 倍的黑洞 。
這個黑洞的引力擾動將嚴重影響太陽系中其他行星的運行,尤其是金星和火星的運行軌跡,極有可能導致太陽系行星運行秩序發生紊亂 。這種紊亂可能引發兩種截然不同的結果 。
一種可能是,這個黑洞在混亂的引力環境中,繼續利用其強大的引力,隨著其他星球逐漸靠近,繼續吞噬它們,如同一個貪婪的饕餮,最終將包括太陽在內的整個太陽系都納入囊中 。
如此一來,這顆黑洞將不斷成長,最終其史瓦西半徑可能達到 3000 米 。不過,這個吞噬過程將極為漫長,或許需要數百億年的時間,甚至在宇宙的演化進程中都難以完成 。當然,隨著黑洞質量的不斷增大,其吞噬物體的速度也會逐漸加快 。
另一種情況是,這顆黑洞在地球軌道上,經過與太陽系幾大行星之間復雜的軌道共振后,其運行關系會被重新排列,最終在太陽系中穩定下來,成為太陽系的一個新成員 。
也就是說,在經過重新排列組合后的太陽系中,地球軌道上不再有可見的星球,取而代之的是一顆質量為 1.7 倍地球質量、肉眼不可見的黑洞 。這顆黑洞將依然圍繞著太陽公轉,直至太陽系走向滅亡 。
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