中子星和黑洞都是宇宙中的極端天體,但不是一個等級,別搞混了

2020-12-05 時空通訊

本文是基於有同學邀請時空通訊回答:如果中子星密度無比巨大,成為比黑洞威力更大的天體,人類如何應付?

這個問題雖然很奇怪,也沒有任何科學內涵和邏輯,但還是覺得有澄清的必要,以免大家被誤導。

我們科普作者的使命就是宣傳科學知識,去偽存真,揭假還本,因而覺得有必要對這樣一個假命題來剖析一番。

宇宙中最極端的天體是黑洞,黑洞可以吞噬接近它、闖入它勢力範圍的一切物質,迄今為止並沒有發現比黑洞更大威力的物體出現。中子星密度雖然很大,但與黑洞比起來是小巫見大巫。

中子星是大於8倍太陽質量的恆星死亡後的屍骸,其前身恆星死亡前的質量一般不會超過30倍太陽質量,而中子星本身的質量受到奧本海默極限的限制,在3.2個太陽質量左右,超過這個質量就會繼續塌縮成一個黑洞。

有研究認為,不旋轉中子星的奧本海默極限為2.16個太陽質量,超過這個質量就會繼續坍縮為黑洞。

但不旋轉的中子星迄今為止尚未發現,凡是發現的中子星又叫脈衝星,就是因為它們高速旋轉,其能量射線會有規律地掃過地球。

中子星的密度極大,1.44~3個太陽質量會濃縮成10~30公裡半徑左右,而太陽半徑有69.6萬千米,稍有數理邏輯的腦袋想一想也能夠感受到這種沉重。

中子星上面的物質密度達到每立方釐米1~20億噸,也就是說全世界70億人在中子星上會被壓縮到1立方釐米以內。

這種極端密度當然會導致極端的重力,中子星表面重力達到地球的萬億倍,逃逸速度達到光速的一半,也就是15萬千米/秒以上,這樣任何靠近中子星的恆星都難逃厄運,只要在它引力的勢力範圍,都將被它撕碎吞噬,並在吞噬中不斷地壯大自己。

但中子星不管怎樣極端,各種指標還是可衡量的,有限制的,比如上述的密度、重力、逃逸速度等都是可計算有限制的。中子星只是黑洞的一個下級天體,而中子星的上級還有可能還存在夸克星,只是目前沒發現,不做定論。

黑洞要大於太陽質量30倍的恆星死亡後才有可能形成,在黑洞面前,中子星完全是一個小兒科。

因為最小質量的黑洞都比最大的中子星要大,而中子星超過了奧本海默極限才會變成黑洞。

這種變化沒有逆反過程,只有不斷地升級,黑洞就是這種升級的頂端。

黑洞之所以成為黑洞,是天體質量在無限壓力下的坍縮。這個無限在宇宙中只能夠用在黑洞或奇點身上,除此之外,一切都是有限的,包括宇宙範圍。

中子星雖然很小,但其體積遠遠沒有壓縮到其史瓦西半徑以內。

任何物體都有一個質量的史瓦西半徑,計算的公式就是:Rs=2GM/c^2

Rs為天體的史瓦西半徑,G為萬有引力常數(G=6.67×10N·m/kg),M為天體的質量,c為光速。

任何物體一旦在極端壓力下龜縮進了自己的史瓦西半徑,就成了一個黑洞,在這個史瓦西半徑內的引力就會變得無限大,逃逸速度就再也不是一半光速,而是大於光速,因此黑洞連光也無法逃逸,也就是這個宇宙任何東西都無法逃脫黑洞的控制,包括中子星。

根據計算,太陽的史瓦西半徑只有約3000米,地球的史瓦西半徑只有9毫米。

而一個中子星如果有太陽質量的1.44倍,半徑卻有10千米以上,這比起史瓦西半徑大多了。只有當這個中子星半徑壓縮到4.32千米以下時,就會成為一個黑洞,在4.32千米半徑這個勢力範圍,就天下無敵。

而且黑洞實體本身並沒有史瓦西半徑那麼大,而是中心一個無限小的奇點,史瓦西半徑只是其無限曲率影響的一個範圍。

因此任何物體一旦壓縮到了自己的史瓦西半徑以內,就會無限坍縮到中心奇點上,這個奇點已經不是我們世界可以理解的東西,而是一個超時空沒有體積的東西,這不是瞎說,是卡爾·史瓦西1916年發現的,是對愛因斯坦廣義相對論引力場論的精確解。

由於黑洞奇點的無限小,因此其引力曲率、密度、溫度都無法衡量,都是無限的。

在宇宙中還有比黑洞威力更大的天體嗎?不知道,科學的態度是凡事都要講證據,目前沒有任何理論依據和證據表明有比黑洞更極端的天體出現。但今後即便真有這樣的天體出現,也絕不會是中子星,中子星是已知可衡量的一種天體。

就是這樣,歡迎討論。

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