本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
早在2019年,天文學家們公布了距離地球5500萬光年的M87*黑洞的照片,這是人類歷史上拍到的第一張黑洞照片,使我們終於能目睹黑洞的「廬山真面目」,而且也從事實上證明了黑洞的存在。
根據愛因斯坦的廣義相對論,當一顆垂死的恆星崩潰後,它將整體向中心塌縮,變成一個接近於無限小的極點,相對質量非常大,任何進入它的事件視界範圍內的物質都會被它吞噬,包括光線。根據,萬有引力定律,黑洞吞噬的物質越來越多,它的質量就會變得越來越大,它的引力也會變得越來越大。那麼問題來了,黑洞會這樣無限增長下去嗎?答案是:不會,黑洞的增長也會有個極限。
幾乎每個大星系的中心都有一個超大質量的黑洞。例如,我們的銀河系中心就有一個超大質量的黑洞,它的質量大約是太陽的四百萬倍。儘管我們銀河系中心的黑洞的質量已經能夠用「超大」來形容了,但是在其他地方還有質量比它大一千倍的黑洞。
那麼,黑洞能有多大?
你可能已經聽說過,黑洞並不是一個洞,而是一個會吞噬所有東西的點。但是黑洞在吞噬物質的時候,並不是像吸塵器一樣沿著直線把東西吸走的——大多數朝黑洞墜落的恆星和碎片,是沿著一個慢慢縮小的盤旋軌道進入黑洞的。在這一過程中,物質之間會碰撞,進行能量交換,很大一部分物質會在碰撞的過程中被拋到黑洞事件視界之外的地方,而脫離黑洞的引力。
因此黑洞的生長很緩慢。儘管如此,當它們吞噬恆星、氣體和塵埃時,它似乎可以永遠狼吞虎咽。但實際上是有限度的。
當我們談論黑洞時,我們經常會提到事件視界——一個黑洞的引力範圍,一旦進入這個範圍,連光都無法逃脫。但還有一個更重要的概念常常被人忽略,一個穩定的圓形軌道,即ISCO。
在這個軌道上,以光速飛行的物體,可以永遠穩定地繞這個軌道運動而不會墜入黑洞。而如果這些物體發生了碰撞,還有可能被拋出這個軌道之外,而脫離黑洞的引力。
當一個黑洞吞噬的物質越來越多,質量越來越大,它的引力就越來越大。那個穩定的圓形軌道不再穩定,但是往外總會有一個剛好讓以光速移動的物體不墜入黑洞的軌道——也就是說ISCO軌道半徑變大了。隨著ISCO的膨脹,黑洞可以接觸到更多的物質,並可以繼續進食。這使得ISCO膨脹得更大,這就給了黑洞更多的食物。等等。
在距離黑洞的事件視界之外距離足夠遠的地方,物質對自身的引力比黑洞的引力更大,這些物質將不會被黑洞吸引。所以,一旦黑洞達到一定質量,這個足夠遠的範圍內的東西都被它吸走了,黑洞沒有任何東西可以吞噬了,ISCO也不會再膨脹了,所以它將不會再長大。
實際上科學家們已經計算出了黑洞需要達到多少質量才會停止增長。在2015年發表的一篇論文指出,黑洞理論上可以增長到500億到2700億太陽質量。一旦黑洞達到這個極限,不管它的質量是多少,它都無法再增長了,只有當有東西直接落入黑洞時,它才能繼續增長。
但這還不是故事的結尾。因為有時會有兩個或更多黑洞碰撞並合併成一個新的黑洞,它們會變得更大。但儘管如此巨大,像這樣的新黑洞也不能繼續吞噬物質,因為在一般情況下,在它們互相結合前,周圍的一切都被它們吞噬完了。
所以,你不用擔心我們的宇宙會最終被一個黑洞所吞噬。