中子星引力極端,氫彈都炸不出一個泡,怎麼遇到黑洞就蔫了?

2020-12-18 時空通訊

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

有人提了個奇怪的問題:中子星上坐在氫彈上都炸不起,怎麼遇到黑洞就分解了?這個問題有點意思,我們一起來說說。

先說說中子星坐在氫彈上都炸不起是個啥意思。

先說明一下,迄今為止,人們對於中子星的一切描述都還只是理論猜想,因為現在還只能觀測到中子星的能量輻射,通過能量輻射計算出中子星的相關數據。由於中子星太小,距離我們又太遠,還無法看到真正的中子星樣子,更別說表面啥樣子了。現在網絡上所有中子星圖片,都是想像圖,準不準確要到今後真正看到中子星樣子才有定論。

看來出題的朋友對中子星有一個了解,不過這個問題很多人可能很難理解,我先把該問題的原意大致翻譯一下。題目意思是說,在中子星上安放一個氫彈,人坐在這個氫彈上,即便氫彈爆炸了,也無法把人炸起來。

為什麼會這樣呢?其實這只是一個比喻,是為了說明中子星引力壓強巨大,任何東西在中子星上都會被壓縮得極端緻密,達到原子核密度。原子核密度是多少?就是約10^12kg/cm^3,也就是每立方釐米約10億噸。中子星上的壓強相當於地球海平面的10^28倍,也就是1萬億億億個大氣壓,每平米釐米上要承受1萬億億億公斤壓力,在這樣的壓力下,一顆氫彈算根毛?

我們來看下氫彈在中子星上會成啥樣子。

世界上最大的氫彈是前蘇聯製造的沙皇炸彈,當量達到5000萬噸TNT,重量達到27噸,體積大小為8米長,2米直徑。那麼這顆氫彈如果到了中子星上有多大呢?中子星密度為1億噸~20億噸/cm^3,也就是說指甲蓋見方這樣一塊中子星物質就有1~20億噸,即便根據最少1億噸/cm^3計算,27噸重的氫彈在中子星上也就是27/100000000cm^3,370萬分之一立方釐米。

那麼這顆氫彈就只有約0.027mm^3,也就是約30μm的一個球,人眼極限解析度約70~100μm左右,因此30μm的東西人眼是無法看到的,這麼小的一顆炸彈,上面依然承受著9000萬億億噸的壓力,能把人炸起來嗎?

不過話又說回來了,人如果到了中子星就縮得更沒影了,如果還活著,興許從這個小人視角能看到氫彈驚天動地大爆炸,只不過從現在地球人類視角看不到而已。

中子星極端特性。

關於中子星物質劉慈欣的小說《三體》有過描寫,他描述了一種叫「水滴」的三體人探測器,由強相互作用力鎖死的中子材料製成,光滑無比,對所有電磁波全面反射,堅硬無比無堅不摧,溫度低至絕對零度。其實這只是一種幻想,在這個幻想中也迴避不了矛盾,如全面反射電磁波,可見光也是電磁波,既然全面反射,人類怎麼能夠看到水滴的光滑無比呢?

實際上,中子星磁場達到地球磁場的數十萬億倍,中心溫度達到萬億度,能量輻射是太陽的100萬倍。正是由於強大的磁場和輻射源源不斷地發出,中子星才被人類所發現。

由於其極其強大的重力作用,把物質的原子都壓碎了,中子星物質以原子核的形式將強子們(中子)擠在一起,因此整個星球物質極端緻密,表面就極其光滑,一個原子大的物質也無法突起。而人類認為巨大能量的原子彈氫彈等,相比中子星的壓強等能量,實在是太渺小了,即便把全球的所有核彈都投在一顆中子星,也掀不起1毫米波瀾。

但黑洞是中子星的上級天體,這個上級不是白當的。

首先黑洞比中子星要大。現在科學界的普遍共識是,恆星死亡後的緻密核達到1.44倍太陽質量,就會坍縮成一個中子星,這個臨界點叫錢德拉塞卡極限;當中子星質量達到約3個太陽質量時,就會繼續坍縮成一個黑洞。某種意義上來說,黑洞是在中子星長大後,並壓再也承受不了重力壓力後,才潰敗塌縮成黑洞的。

因此中子星的質量是有限制的,達到3個太陽左右就無法保持中子簡併態,只能夠潰縮成一個黑洞。因此宇宙天體黑洞永遠比中子星要大,且黑洞沒有上限,只會越吃越大。

其次黑洞比中子星引力要強大很多。中子星物質雖然極端緻密,但還是有形物質組成。而黑洞就沒有物質形態了,所有物質無限坍縮到了一個奇點裡。奇點在我們世界是沒有體積的,只是與質量相符的引力場和角動量守恆依然留在了我們世界。

根據萬有引力定律,引力大小與質量成正比,與物體質點之間距離成反比,也就是說質量越大的物質引力越大,距離物質質點越近引力越強。根據這個定律,黑洞引力必然大於中子星引力。

黑洞之所以引力強,除了質量原因,更重要的是體積相對更小。

中子星雖然已經很小了,只有10千米半徑左右,也就是說中子星表面距離其質點,也就是引力中心,還有10千米左右;但黑洞所有物質都無限塌縮進了自己的質點,而其質量臨界點,也就是史瓦西半徑比中子星還要小,其遵循的公式為:R=2GM/C^2。

這裡R為史瓦西半徑值,G為引力常量,M為物體天體質量,C為光速。根據這個公式計算,一個3倍太陽質量的黑洞,其史瓦西半徑小於9000米。這個史瓦西半徑並不是黑洞實體,黑洞實體是中心那個沒有體積的質點。史瓦西半徑是根據這個質點在周邊形成的一個無限引力場球狀空間半徑,在這個球狀空間邊界,就叫黑洞視界,是黑洞能夠看到和不能看到的臨界點,也可以說是一切物質的生死線。

任何物質一旦進入了視界那邊,就有去無回,做不成物質了,連光也無法逃逸,因此看起來視界裡面就是黑咕隆咚的一個球狀體。中子星雖然引力強大,但在黑洞面前只能屈居老二,一旦被黑洞引力場俘獲,就會被黑洞生吞活剝死無全屍。

黑洞和中子星屬於黑吃黑,都不是善類。

現在研究發現,黑洞吞噬中子星的方式有多種。一種是大型黑洞,會把中子星囫圇吞棗的完整咽下去;還有一種就是逐步剝皮抽筋,慢慢吸食。黑洞會把撕碎的物質變成自己吸積盤流體,這些物質圍繞著史瓦西半徑高速旋轉。這個過程迸發出強烈光線和高能射線,就好像中子星在做最後掙扎與哀鳴,最終慢慢旋轉著逐步掉入黑洞的無底深淵。

在天體食物鏈的頂端,穩坐著黑洞老大,目前還是中子星排老二,白矮星排老三。有人認為在中子星和黑洞之間,還應該有夸克星存在,但迄今並沒有發現。其實中子星沒有什麼可同情的,它們除了黑洞不敢惹,其他的天體都不在它們話下,它們吞噬起其他天體,如白矮星或恆星、行星,一點也不客氣。

不過中子星吞噬起這些物質來肚量有限,只要吃飽了就要爆肚皮,發生超新星大爆發,然後坍縮成黑洞,完成其升級老大的蛻變。這就是宇宙中大魚吃小魚,小魚吃蝦米的故事。

就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。

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