如果地球出現一個直徑只有一個原子那麼大的黑洞會怎麼樣?

2021-01-09 星宇飄零

討論這個問題之前要先看看霍金對不對。

如果霍金對

那麼一個原子那麼大的黑洞有可能會在霍金輻射下劇烈蒸發,如果霍金算得沒錯,原子大小的黑洞吸收質量的速度遠小於輻射質量的速度,那麼這個迷你黑洞將在劇烈的輻射中消耗殆盡。

但是萬一霍金輻射錯了呢……

萬一黑洞不存在霍金輻射呢?……這問題就比較複雜了,要看這個黑洞的初始速度和運動方向。如果初始速度小於第一宇宙速度,那麼不管它朝哪個方向運動,最終都會落向地心,然後在吸積過程中產生強烈輻射,在吃掉地心的同時地球將被融化 成一個圍繞黑洞旋轉的吸積盤,並將在漫長的時間裡被吞噬掉。

帶吸積盤的黑洞

還有一種情況是速度足夠快,如果超過地球逃逸速度並且方向指向地球之外,那麼它就會飛走了……

如果有足夠的速度但指向地球內部,就有可能在穿越地球過程中因吸食物質過程中被減速,最終可能被減速到飛不出地球最後慢慢把地球吃掉……

我們先來看看一個原子有多大吧

物理上一般是使用半徑的,無論是原子還是黑洞。先看原子半徑圖。

元素半徑表

圖中可見,原子半徑基本上都小於0.2nm(圖中的B 82表示原子半徑為0.082nm),所以我就按0.2nm作為黑洞的半徑吧,那麼0.2nm半徑的黑洞有多大呢?計算黑洞質量我們一般使用史瓦西半徑公式:

史瓦西半徑公式

由於現在半徑r已經確定了,需要計算的是質量M,所以我們要把公式改一下:

變換後的公式

公式改好就可以算一個原子大小的黑洞質量了。把0.2nm換算成2x10^-10m,然後代入公式:

原子大小黑洞的質量

一算嚇一跳,1.34694x10^17kg……這質量有點嚇人了,但是假如按水的密度算算,大約也就相當於一個31.8km半徑的水球……

對應水球半徑

對於這麼一個質量當它壓縮在一個非常小的尺度下,其引力就變得相當恐怖了,算一下其不同 半徑距離的逃逸速度:

原子大小黑洞不同半徑的逃逸速度

1m範圍內逃逸速度依然達到4km/s,1mm這種已經屬於宏觀的尺度達到134km/s,相當於太陽系所在位置的銀河系逃逸速度了,這樣一個黑洞一旦調入地表將瘋狂吸食物質,而對於一個密度不低的巖石行星,由於存在物質拖拽,黑洞在吸食物質的過程中將迅速減速,而越是減速它將吞噬更大範圍的物質,不過由於巨大的潮汐力,它在吞噬物質過程中將產生極強的輻射,將逐漸融化周圍的物質,被融化的物質將漸漸形成吸積盤,這將減慢地球被完全吞滅的過程,不過結局沒法改變了……

那麼問題來了,這麼小的黑洞有可能存在嗎?理論上有。

雖然自然演化形成的黑洞存在一個質量下限,即奧本海默極限,當塌縮天體質量小於奧本海默極限,它的引力就沒法讓其突破中子簡併壓,最終只能形成緻密的中子星而無法形成黑洞,那麼1個原子那麼大的黑洞哪來呢?有兩種可能:

一種可能是霍金輻射存在的情況下,大爆炸初期產生的原初黑洞遺留至今,超小型黑洞在漫長的蒸發中史瓦西半徑縮小到原子尺度。

另一種可能是霍金輻射不存在的情況下,宇宙中相向運動的高能粒子流產生碰撞(黑洞兩極的高速噴流可以產生這樣的速度),兩個帶電粒子在對撞過程中動量抵消,如果其相對速度達到一定級別,動量產生的相對論質量在碰撞過程中其史瓦西半徑超過其物理半徑就有可能形成視界,這樣一個微型黑洞就形成了。在霍金輻射存在的情況下它一般會瞬間蒸發掉,然而這第二種可能中我假設了霍金輻射不存在……那麼它就有可能留下來,並慢慢吸食周圍物質並長大,只要有足夠時間,就能長大到原子大小。

M87星系黑洞的高速噴流

不過由於這種高能碰撞產生的黑洞一般是不大可能剛好相對於地球停下來,甚至都不大可能低於第二宇宙速度,因此它們一般是會擁有極高的速度,而它們形成時的質量又相當有限,畢竟只是單個帶電粒子接近光速運動時產生的相對論質量,史瓦西半徑會異常微小,所以這種黑洞一般來說形成時是不會對地球構成任何威脅的,一般會高速飛走了……即使不小心高速撞入地球內部,由於起質量太小,基本無法吸食物質,除非正好撞上,所以它一般會穿透地球,從另一頭飛走了……

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  • 第九大行星可能是一個原生黑洞?只有原子那麼大,卻重達10億噸
    因此提出「第九大行星」可能不是行星,而是一個原生黑洞。黑洞是怎樣形成的?當一顆質量足夠大的恆星衰老時(質量至少大於太陽的3.2倍),它的熱核反應就會消耗中心的燃料,沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量,因此承擔不起外殼的重力,核心就會開始坍縮,直到最後形成一個體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。
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