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如果一個一立方釐米的黑洞接近地球,會發生什麼?
首先我們來了解一下1立方釐米黑洞有多大。黑洞本身實質在奇點,而奇點是沒有體積的,或者說無限小體積的。這裡說1立方釐米只能理解為黑洞的史瓦西半徑球形體積,根據球體積公式V=4/3πr^3計算,1cm^3體積的黑洞,史瓦西半徑約為0.62cm,我們地球的史瓦西半徑約9毫米,因此這個黑洞比地球質量要小。
那麼這樣一個黑洞質量有多大呢?這就要根據史瓦西半徑公式來計算了。史瓦西半徑計算公式為:R=2GM/c^2。這裡R為史瓦西半徑值,G為引力常量,M為天體質量,c為光速。代入0.62cm史瓦西半徑計算,這個黑洞質量約為4.18x10^24kg,約地球質量的70%,約相當火星質量6倍,比金星質量略小一些。
但這麼小的黑洞,在宇宙中還沒有發現。理論上認為,在宇宙大爆炸時,會產生很多原初黑洞,很小很小,但迄今沒有發現。而現在發現的黑洞,都是大質量恆星爆發後形成的,形成這些黑洞的原恆星一般要在40倍太陽質量以上,或者中子星達到了奧本海默極限,也就是約3個左右的太陽質量,才會坍縮成一個黑洞。
因此現在發現宇宙黑洞最小的也在3倍太陽質量以上。
黑洞的極端性質。除了極小質量黑洞(原子質量級別)會瞬間蒸發以外,稍大點的黑洞都是餵不飽的,是宇宙食物鏈的頂端。因此一般來說,只有黑洞吃掉恆星,恆星是不可能吃掉黑洞的。哪怕恆星質量比黑洞大很多,如r136a1,質量是太陽的約300倍,但如果遇到一個3倍太陽質量的黑洞,也只能被吃掉。
這是因為黑洞的引力極端,在史瓦西半徑以內,其時空曲率是無限大。什麼是無限大,就是無法形容有多大。所謂曲率就是時空扭曲,而引力就是時空扭曲的表現,在時空無限極端扭曲的情況下,引力變得無窮大,因此黑洞視界內連光速也無法逃逸。這樣人們就無法看到黑洞,只能在史瓦西半徑臨界處,通過黑洞吸積盤能量迸發看到,這個地方叫黑洞視界。
黑洞引力同樣遵循萬有引力定律。世界上一切物體,包括各種天體,都遵循萬有引力定律,就是引力大小與相互作用物體質量的乘積成正比,與距離平方成反比。就是說,質量越大,引力就越大,但隨著距離拉大,引力就會呈指數級衰減。而距離不是指表面距離,而是指質心到質心之間的距離。
萬有引力定律表達式為:F=GMm/r^2。這裡的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。
因此同等質量的黑洞與恆星或任何其他天體引力都是一樣的,所不同的就是黑洞視界表面距離質心很近很近,而恆星表面距離質心很遠,根據引力大小與距離平方成反比的性質,黑洞表現出來的引力就非常極端。
比如r136a1,雖然其質量是太陽的300倍,但其半徑為30~40個太陽半徑。太陽半徑為69.6萬千米,r136a1就差不多在半徑在2088~2784萬千米左右。而如果太陽變成了黑洞,視界表面距離質心就只有約3000米了,r136a1恆星變成黑洞,表面距離質心就只有90千米了,這時,在它們視界以內,引力就是無限的了,在靠近黑洞視界處引力也很極端。這就是任何恆星都無法抵禦黑洞引力而被吞噬的原因。
黑洞一旦靠近其他天體,巨大的引潮力可以撕碎一切。何謂引潮力?就是由於物體具有體積,但引力源靠近時,不同部位受到的引力作用是不同的,這樣就會導致物體受到引力不平衡而扭曲。月球雖然沒有地球大,而且還距離地球平均38.4萬千米,但其引潮力對地球產生著巨大影響,如漲潮落潮,板塊運動,大氣環流等等。
一個體積約1cm^3的黑洞雖然很小,但質量已經接近金星,而月球質量只是金星的1/57,且靠近了地球,因此對地球的引潮力作用就完全不是月球可比了,它對地球將形成潮汐瓦解作用。而潮汐瓦解正是黑洞吞噬天體的基本過程。
所謂潮汐瓦解就是在黑洞強大引潮力作用下,極端扭曲天體,將天體一點點撕碎,然後吸食這些被撕碎的碎片。有人形容當一個人接近黑洞時,如果是腳部朝著黑洞,引力對於人的腳部和頭部差距巨大,因此會把人像拉扯牛皮糖一樣,拉得很長很長,腳部已經細如髮絲,而頭部還完好無損。想一想此人看到自己被拉扯成100千米的身子像藕絲糖一樣捲曲在黑洞吸積盤的樣子,會是一幅怎樣驚恐的表情?
當然這只是形容,實際上,潮汐力和黑洞吸積盤巨大的角動量會把任何物體扯得粉碎,在超高速旋轉中粉碎成基本粒子,迸發出熾熱的超高溫光芒,以及X射線等高能射線。
釐米級黑洞靠近地球撕碎地球過程。根據引力定律,這個史瓦西半徑0.62cm的黑洞,相當於金星與地球接近時的引力。如果真是金星靠近地球的話,在距離地球8189公裡時到達洛希極限,金星就會被地球引潮力所撕碎而解體。
但這個黑洞的靠近,當然不會解體,被解體的只能是地球。當黑洞距離地球約5000千米時,相當於地球與金星相撞的威力,地球將翻江倒海,板塊崩潰,全球性地質災難爆發,地球所有物種已經萬劫不復。
隨著黑洞與地球的引力拉扯作用,黑洞日益靠近地球,兩個天體相互圍繞著著一個質心旋轉,黑洞的引潮力對地球形成全面潮汐瓦解,靠近黑洞的地球表面輪番被撕碎掀起,成為黑洞超高速旋轉超高溫熾熱吸積盤,發出耀眼的光芒和高能射線,以摧毀一切之勢蠶食地球。
在這種環境下,生物全部毀滅,地球很快變成一個翻天覆地的死球。這個黑洞慢慢的享用戰利品。黑洞吃東西並不很快,越小的黑洞吃得越慢,像這種釐米級黑洞,要真正把地球吞掉,需要億萬年。享用完地球後,黑洞質量變成1.7個地球大,史瓦西半徑成為1.52cm。
這個黑洞在太陽系最終結果。釐米級黑洞吃完地球後,在地球軌道已經有一個地球質量1.7倍的黑洞,這個黑洞的引力擾動將嚴重影響其他行星運行,尤其是金星和火星的運行軌跡,太陽系行星運行開始發生紊亂。導致的結果可能有兩種:
一種是這個黑洞正好在混亂中渾水摸魚,隨著一個個星球靠近,繼續慢慢享用饕餮大餐,最終吞噬了包括太陽在內的整個太陽系。這樣,這顆黑洞最終長大到了史瓦西半徑3000米。不過這個時間需要很久很久,或許數百億年後還沒有完成。當然,隨著黑洞變大,吞噬的速度會漸漸加快。
第二種情況就是,這顆黑洞在地球軌道經過與幾大行星之間的軌道共振後,運行關係被重新排列,最終穩定下來,從此成為太陽系裡一個新成員。也就是說在重新排列組合後的太陽系,地球軌道沒有了可見星球,替代地球的是一顆1.7倍地球質量看不見的黑洞。這顆黑洞依然圍繞著太陽公轉,一直到太陽系滅亡。