很多恆星質量比黑洞都要大，黑洞一毛不拔！為什麼恆星還能發光？

2020-10-18 星辰大海種花家

距離地球最近的黑洞是2800光年外的麒麟座V616，我們能觀測到它完全得益於它有一顆0.5倍太陽質量的黑洞，因為黑洞的引力擾動對這顆恆星的運行以及光譜都發生了變化，從而可以計算出這顆黑暗天體的質量高達太陽的9-13倍，而高於奧本海默極限的天體成了距離地球最近的候選黑洞之一！

一、為什麼我們難以直接發現黑洞？

黑洞不發光，因此在黑暗背景下的宇宙中是難以通過光學望遠鏡直接發現的，那麼我們是怎麼發現黑洞的呢？

1、對伴星的引力擾動

2、伴星的光譜引力紅移

3、引力透鏡

4、通過吸積盤的超強X射線源

而通過異常X射線源是發現黑洞的主要途徑！但這有一個問題，黑洞不是不發光麼，怎麼又能通過X射線源來發現黑洞的蹤跡？

錢德拉硬X射線望遠鏡發現銀心附近眾多的X射線源，因為這是黑洞的吸積盤所發出，因為物質在掉落黑洞前會被極度壓縮加熱後的輻射，或者稱之為「最後的吶喊」也不為過！但過了黑洞的視界之後，黑洞除了引力和傳說中的霍金輻射以外，就不會再輻射任何其它信號了！

二、很多星的質量都遠超黑洞，為什麼黑洞不發光，而恆星依然發光呢？

其實比黑洞質量大的恆星有很多，在銀河系中比如海山二，它的質量大約是太陽的100-150倍！在大麥哲倫星系蜘蛛星雲中的R136a1，則是已知恆星中質量最高的，大約是太陽的256倍！當然R136星團中個個都是巨無霸，比如R136a2約為太陽的179倍，R136a3約為太陽的180倍！蜘蛛星雲看來是一片福地，恆星質量都極高！這些恆星無疑都遠超很多黑洞，比如上文的麒麟座V616，為太陽質量的9-13倍！天鵝座X-1則為太陽的8.7倍，跟這些恆星比起來，黑洞就是一個小弟弟！那麼為什麼黑洞連光都無法逃脫，恆星則整體無所事事的發光發熱呢？

也許我在這裡必須得引入一個環繞速度的概念！

環繞速度即第一宇宙速度，當物體環繞天體運行速度夠高時，圓周運動產生的「離心力」與該物體與受到的引力平衡，那麼此時它將一直環繞天體而不至於掉落！但此時它也無法逃逸，必須擁有更高的速度！兩者的關係是

G為萬有引力常數

M為天體質量（非物體質量）

r為天體半徑

這幾個參數中G是固定不變的，在一定的情況下天體的質量M與半徑有一個變化範圍：

恆星質量範圍：0.08-256倍太陽質量（R136a1為例）

恆星的半徑範圍：0.1-1708太陽直徑

而一個在主序星狀態的恆星的半徑與質量大致呈一個正比，因此我們可以計算出恆星的環繞速度總是一個並不是特別大的正整數值：

太陽的環繞速度：436.6KM/S

天狼星的環繞速度：479.4千米/S

R136a1的環繞速度：1174.1KM/S

可見在主序星階段的恆星的環繞速度和質量基本成比例提升，但即使是質量最高的R136a1，也只有1174千米/S而已，而光每秒接近30萬千米，因此從表面逃逸是輕而易舉的事情！

那麼黑洞呢？其環繞速度是多少？

要計算黑洞的環繞速度，必須要了解一個史瓦希半徑的概念！

史瓦希半徑：任何有質量物體的一個臨界半徑值，只要該物體坍縮至這個尺寸下，那麼將無可避免的坍縮成黑洞！

其實眼見的朋友就已經發現了，這是以光速為逃逸速度計算的一個物體的半徑！也就是第二宇宙速度公式的一個變換！在這個半徑上，環繞速度為光速！太陽的史瓦希半徑為2.952千米！地球的史瓦希半徑約為9毫米！只要天體坍縮到這個尺寸時，再強大的光都無法逃逸，但在史瓦希半徑以外，逃逸速度小於光速！

當然在說明黑洞環繞速度時說的都是在史瓦希半徑處的環繞速度，因為黑洞並不是一個有實體尺寸的天體，它的奇點直徑無限小，因此無論是從環繞速度還是逃逸速度計算，你會發現速度都是無窮大，因此沒有任何已知物質可以從黑洞的史瓦希半徑內逃逸！

也可以簡單的理解成，在這個問題中，質量很關鍵，因為只有大於奧本海默極限（3.2倍太陽）以上的天體才可能坍縮為黑洞，但它的尺寸更關鍵！這是讓光能否逃離的絕對參考值！

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  • 大小黑洞都很多，唯有中等質量黑洞很稀有，是何緣故？
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