本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
最近,歐洲南方天文臺發現一個距離我們最近的黑洞,很多人由此引發憂慮,既然最近,那麼對我們有威脅嗎?
為了讓大家放心,先說結論:不會。重要的事情說三遍:不會、不會、不會。
好,我們現在來說說道理。
首先介紹一下這顆黑洞的來歷。
這是一顆最近發現的黑洞。5月6日,歐洲南方天文臺發布消息,發現了一個距地球1000光年的黑洞,宣稱這是迄今距離我們最近的一顆黑洞。
這顆黑洞屬於一個編號為HR6819的系統,位於望遠鏡座,有兩顆伴星圍繞著黑洞旋轉。
還有人宣稱這是迄今為止發現的最小黑洞,其質量約太陽的4.2倍。
但在2019年,俄亥俄州立大學的研究人員在《科學》雜誌上發表過一項研究,宣稱可能發現了一顆最小黑洞,質量約太陽的3.3倍。
因此這顆黑洞是不是迄今最小的還需進一步討論。但如果說是迄今距離我們「最近最小」的黑洞則似乎沒有爭議。
理論認為,宇宙中恆星死亡生成的典型黑洞最小為太陽質量的2.06倍,但所謂典型黑洞是指不旋轉黑洞,但一顆大質量恆星死亡後的屍骸必須繼承其角動量,因此還沒有發現有不旋轉的白矮星、中子星,當然更沒有不旋轉的黑洞。
因此,最小黑洞被認為應不小於太陽質量的3.2倍。
這顆黑洞質量距離最小旋轉的黑洞質量已經很接近了。
現在來說說黑洞的引力。
這顆黑洞既然是迄今與我們距離最近,就有人擔心對我們會不會有威脅,要不要做好應對準備。
其實這種擔心是多餘的,因為這顆黑洞對我們完全沒有什麼影響。
黑洞對周圍的最大影響是極端引力,一旦進入了黑洞的史瓦西半徑,任何物質都有去無回。
但黑洞的史瓦西半徑是很小的,其遵從的公式為:R=2GM/C。
式中,R表示史瓦西半徑大小,單位m;G為引力常量,一般取值6.67x10^-11N·m/kg;M為黑洞質量,單位kg;C為光速,取值299792458m/s。
根據公式計算,4.2倍太陽質量的黑洞史瓦西半徑約12398米,也就是說在這顆黑洞奇點(中心質點)距離12公裡多半徑的球面以內,一切物質都是有去無回的。
但我們實際上距離這個黑洞1000光年。
1光年為9.46萬億公裡,1000光年就是9460萬億公裡。一個4.2倍太陽質量天體對我們的引力影響,在這種距離完全可以忽略不計了。
而且,這個HR6819三星系統不是朝著我們運行過來,而是正在遠離我們而去,其徑向速度 為(R v)+15.0 ± 4.2 [2] km / s,所以它未來也不會對地球構成威脅。
所有的天體引力都要遵從萬有引力定律。
牛頓最偉大之處就是發現了萬有引力定律,這是人類發現的四種基本力中最早發現的一種力,這種力廣泛存在於世界每一個角落,尤其是天體運行都是遵從這個定律。
這個發現在300多年前,至今還非常正確,應用於各種研究中。
黑洞也是天體,雖然有些特殊,但同樣必須遵守萬有引力定律,因為這是大自然規律。
萬有定律表達式為:F=GMm/r
式中,F表示萬有引力值,G為引力常量,M和m表示兩個相互作用物體的質量,r為前面兩個物體的質心距離。
這個定律適用於我們世界任何物體,小到原子,大到天體,包括所有恆星、行星、白矮星、中子星、黑洞、星系都要遵從這個規律。
因此黑洞的引力實際上與任何天體是一樣的,都是與質量成正比,與距離平方成反比的。
只要質量相同,引力影響範圍就一樣大。
所以,4.2倍太陽質量的黑洞,與4.2倍太陽質量的恆星引力是一樣大的。
那為什麼黑洞引力那麼極端呢?這是因為黑洞小,同等質量的黑洞比同等質量的恆星體積小多了,這樣,如果靠近黑洞,就已經靠近其質心了,這裡的引力才會極端大。
比如太陽,其質量為1.9891x10^20kg,半徑為69.6萬公裡。
如果太陽成為黑洞,其史瓦西半徑只有2952米。如果一個物體到了這顆黑洞2952米的範圍,就有去無回,連光也無法逃逸。
但在距離這顆黑洞三、五千米的地方,就不是無限引力了。雖然這裡的引力還是很極端的,一旦被捕獲,還是很難逃逸,但逃脫已經有了希望,如果達到光速一半的話,就有可能逃逸。
如果在這顆太陽變成的黑洞距離質心69.6萬公裡的地方,其逃逸速度就與太陽一樣了。太陽表面逃逸速度為617.7公裡,太陽一樣質量的黑洞距離質心相當於太陽表面的地方,逃逸速度也是617.7公裡。
這就是黑洞引力與任何天體引力一樣大的一個比喻。當然這只是比喻,太陽是成不了黑洞的,要太陽質量40倍左右以上的恆星,死亡時發生超新星大爆炸,才有可能留下一個3倍以上太陽質量的黑洞。
大於4.2倍太陽質量的恆星圍繞著我們有很多。
既然黑洞與任何天體引力一樣大,只要大於恆星表面距離的地方,黑洞引力與恆星引力的影響就完全一樣了。
而我們距離這顆黑洞1000光年。引力雖然屬長程力,理論上影響無限遠,但引力是與距離平房衰減的,1000光年距離,即便是百倍太陽質量,對我們的影響也可以忽略不計了。
在我們1000光年距離內,圍繞著許多大於4.2倍太陽質量的恆星,如果一定說影響,它們都比HR6819系統黑洞對我們的影響要大多了。
隨便列舉幾顆恆星:
天狼星,是除太陽外全天最亮的恆星。這是一個雙星系統,包含一顆藍矮星和一顆白矮星,質量分別為太陽的2倍和1倍,雖然沒到4.2倍,但距離我們只有8.6光年。
水委一,是波江座α星,是全天第9亮星。質量約為太陽的6~8倍,距離我們約80光年。
角宿一,即室女座α星,為全天第17亮星。質量約為太陽10倍,距離我們約260光年。
老人星,即船底座α星,是全天第4亮星。質量約太陽9.5~12倍,距離太陽系約310光年。
十字架二,是南十字座內最亮的恆星,是全天第13亮星。這是一個三合星系統,肉眼可分辨兩顆星,這兩顆星質量約太陽的14倍和10倍,距離我們約320光年。
參宿四,又稱獵戶座 α 星,是一顆處於獵戶座的紅超巨星,是全天第12亮星,質量約為太陽的12~15倍,距離我們約600光年。
還有十字架三,是個雙星系統,其中一顆亮星質量約為太陽14倍,距離我們約350光年;馬腹一,是一個三合星系統,質量分別為10/10/4.61倍太陽質量,距離約390光年;參宿七,質量約為太陽18倍,距離我們約850光年。
還有不少在1000光年以內的大於10倍太陽質量的恆星,這裡就不一一列舉了。
這些恆星的引力都大於HR6819系統黑洞,如果有威脅,這些恆星對我們的威脅比HR6819黑洞大多了。
尤其這些恆星大多數都在演化後期,很可能會爆發成超新星,如果發生伽馬射線暴掃中地球,將對地球生態造成重大影響。但這種太陽質量10倍左右的恆星還是屬於中小質量恆星,發生伽瑪暴的概率非常微小,因此地球還是比較安全的。
有人認為HR6819系統黑洞的發現是開了個「壞頭」。
因為HR6819系統黑洞被發現是一種全新的黑洞發現模式,過去用X射線望遠鏡大面積全天區掃描,發現了許多黑洞,但這顆黑洞漏網了。
用這種方法掃描天區,許多遙遠的黑洞都被發現了,為什麼潛伏在我們身邊的這顆黑洞沒有被發現呢?
而且這個HR6819系統是在人類肉眼極限之內,視星等為5.45,天氣好目力好的人肉眼就可以看到。
這麼近這麼清晰的一個黑洞,怎麼就沒有發現呢?
原來HR6819系統黑洞是一個安靜的「潛伏者」,它沒有吸積盤(或者小到難以發現),因此才在錢德拉X射線望遠鏡的全天區掃描中成了漏網之魚!
研究小組開始只是把HR6819作為一個雙星系統研究的,偶爾發現它們的運行軌跡不對勁,再仔細觀察才發現中間有引力源,拉扯著這個雙星系統運動。
這個引力源是一個完全黑暗的世界,沒有一絲亮光。
一般黑洞都會有吸積盤和大量的X射線迸發,但這一顆沒有。科學家們用位於拉西拉的MPG/ESO 2.2米望遠鏡上的費羅斯光譜儀觀測表明,兩顆可見恆星其中的一顆每40天繞一個看不見的物體運行一圈,而第二顆恆星與這顆距離較遠。
由此它們發現這個原本以為是雙星的天體系統,竟然有3個天體,其中一個完全看不見!這是完全依靠引力攝動發現的一顆黑洞!
這是冰山一角嗎?在我們周圍這種無聲無息的「潛伏者」還有多少?有沒有距離非常近的呢?
這才是天文學家們驚出一身冷汗的原因。
所以,有人說這是開了個「壞頭」,這個「壞頭」壞就壞在為人類報了「憂」,很可能我們周圍有很多這樣的「潛伏者」,威脅著人類生存。
其實這個「壞頭」開的很好,為尋找一種新型潛在黑洞提供了方法,給人類過去尋找這種危險存在過於馬虎敲了一記警鐘。
就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。
時空通訊原創版權,侵權抄襲是不道德的行為,敬請理解支持。