宇宙中最大質量恆星引力有多大,可以拉住自己發出的光嗎?

2021-01-08 時空通訊

光速為宇宙最高速度,但會與引力發生作用。

引力是什麼?愛因斯坦告訴我們是時空彎曲,是物體質量的基本屬性。意思就是,凡有質量的物體,都會對自己周邊時空產生擾動,這種擾動就是會彎曲周邊的時空,產生類似漩渦或者陷阱的場,這種導致物體相互靠攏和掉進對方陷阱的趨勢,表現出來的現象就是相互吸引的引力。

物體質量很小時,這種擾動和彎曲很小,在我們平常生活中很難感受出來。我們在地球上,除了地球引力可以吸引住地表一切,其他所有物體,比如一棟大廈、一座山,我們都感受不到它的引力。當物體質量一個星球級,這種時空擾動和彎曲就無法忽視了,其表現出的引力就會吸引住慢速的東西。

當引力足夠大時,快速的東西也會受影響。比如光在經過太陽時,也會被太陽巨大的引力拉彎,這種現象在1919年發生全日食時,就被英國專門組織的遠徵隊觀測所證實,得到太陽邊緣處星光偏折1.66″±0.18″的結論,與愛因斯坦測算基本吻合。

由此,愛因斯坦廣義相對論風靡世界科學界。

擺脫引力的唯一途徑就是速度。

時空彎曲形象比喻有點像我們生活中看到水中或者颱風形成的漩渦,足夠快速度的船或飛行物,就能夠逃脫漩渦。其實要逃脫時空陷阱或漩渦的方法也只有一樣,就是速度,只有速度足夠快,就能夠逃脫引力的控制。

那麼速度要多快才能夠擺脫引力呢?這就需要根據引力定律來推算了。

引力定律是牛頓在1687年發表的《自然哲學的數學原理》一書中創立的,簡單表述為:F=GMm/r^2。公式中F表示引力大小值,G為引力常量,M和m為引力作用雙方兩個大小物體質量,r為兩個物體質點之間的距離。

引力常量是兩個1公斤的球體,質心相距1米距離的引力值,約等於6.67x10^-11N·m^2/kg^2。

從這個公式我們可以看出,引力大小是與質量成正比的,與物體之間距離平方成反比的。根據這個定律,可以推算出逃離引力的速度,這就是逃逸速度,公式表述為:v=√(2GM/R)。

這裡,v為逃逸速度,G為引力常量,M為天體質量,R為天體半徑。這個逃逸速度是指在天體表面上的逃逸速度,距離天體越遠,所需逃逸速度則越小。

根據公式我們可以計算出在地球表面,逃逸速度為11.2km/s,太陽表面逃逸速度為617.7km/s。

最大的恆星引力能夠拉住光線嗎?

從上面逃逸速度來看,質量越大的天體,逃逸速度就需要越大。真空光速為299792.458km/s,有什麼樣的天體需要這樣大的逃逸速度呢?如果需要這麼大的逃逸速度,光線才能夠被拉住。但一般恆星的逃逸速度距離光速還是太遠了,比如太陽,表面逃逸速度才617.7km/s,只是光速的1/485,因此光線飄過太陽時沒有半點停頓,只是稍稍彎曲了一點點。

那麼更大質量的恆星能夠抓住光嗎?我們來看看迄今發現最大質量恆星r136a1的逃逸速度是多少。r136a1是坐落在大麥哲倫星系蜘蛛星雲中的一顆恆星,距離我們16萬多光年,其質量約太陽的265~315倍,半徑約太陽的28.8~35.4倍。

現在我們按照300倍太陽質量,半徑30倍太陽這個參數,代入逃逸速度公式,來計算一下r136a1恆星的表面逃逸速度需要多大。

太陽質量為1.9891x10^30kg,半徑為696000km;300倍太陽質量為5.9673x10^32kg,30倍太陽半徑為20880000km,代入公式計算:

v=√{[2x(6.67x10^-11)x(5.9673x10^32)]/20880000000}≈1952547m

由此算出r136a1表面逃逸速度為1952.547公裡,與光速完全不在一個檔次上,因此光線經過宇宙中最大的恆星,也還是只會彎曲一點點。要知道全宇宙的所有光都具有光速不變,光速恆定的性質,這樣,r136a1當然也就拉扯不住自身發出的光線了。

人都是依靠光來感知世界的,沒有光就什麼也看不到。正因為恆星根本吸引不住自身光線,才是我們能夠看到所有恆星的原因。

那麼有沒有能夠鎖住光線的天體呢?

當然有,那就是黑洞。但要拉住光線也是有條件的,就是在黑洞的史瓦西半徑以內。黑洞不讓一絲光離開自己,因此人們看到的就是一個黑咕隆咚什麼都沒有的洞。有人會問,有些黑洞還沒有恆星質量大,為什麼引力會那麼大呢?

這是因為黑洞體積非常小,這才是問題的實質。而同等質量的物體比較,黑洞成了最小的那一個。黑洞的這種性質完全詮釋了引力定律的精髓,即引力大小與質量成正比,與距離成反比。這裡最需要理解的就是「距離」,因為引力大小是與距離平方呈衰減趨勢的,因此靠近質點越近,引力就會變得也極端。

而白矮星、中子星、黑洞這些極端天體,正是天體表面距離質心越來越近的天體,就一個比一個引力更極端。比如中子星,一個約太陽質量3倍的中子星,其半徑只有15km左右,只是太陽半徑的46400分之一。也就是說這個中子星表面距離質心只有15km,這樣其引力就成平方指數增強。我們來計算一下這個中子星表面逃逸速度:

v=√{[2x(6.67x10^-11)x(5.9673x10^30)]/15000}≈230367506m

我們可以看出,太陽質量三倍的中子星,如果縮小到15km半徑,其表面逃逸速度就需要23萬km/s,已經快要到達光速了。

黑洞的表面就是史瓦西半徑臨界面。

根據奧本海默極限理論,當中子星質量到達太陽3倍左右時,中子簡併壓就無力支撐本體巨大的引力收縮壓而進一步塌陷了,最終會坍縮成一個黑洞。任何物體坍縮到自己質量的史瓦西半徑內,所有物質就會無限墜落到中心那個無限小的奇點上,這就是黑洞。

史瓦西半徑是任何物體的質量臨界半徑,是圍繞在奇點周圍形成的一個球形空間,這個半徑大小與質量成正比。在這個半徑球形空間裡,中心奇點具有無限曲率,也就是導致的時空陷阱或者說漩渦會無限彎曲,表現出無窮的引力。因此在這個範圍,任何物質都無法逃脫,只會無限墜落,即便這個物體達到光速,也就是說光也無法逃逸。

這個史瓦西半徑有多大呢?計算公式為:R=2GM/C^2

公式裡,R為史瓦西半徑值,G為引力常量,M為天體質量,C為光速。

根據公式計算,地球史瓦西半徑約9毫米;太陽史瓦西半徑約3000米,而1個3倍太陽質量的黑洞,史瓦西半徑約9千米。

不管什麼天體,只要質相等,理論上引力都是一樣大的。

黑洞的引力並不違背引力定律原則,同等質量的黑洞與同等質量的恆星,引力理論上是一樣大的。問題是黑洞的史瓦西半徑太小了,已經靠近了質量核心了。如果太陽成為黑洞,在距離其核心3000米的地方逃逸速度達到光速;但太陽表面距離核心有69.6萬千米,當然引力就衰減得很大了,逃逸速度就只有光速的1/485了。

因此如果一個太陽大的黑洞,在我們地球軌道距離太陽1.5億公裡位置,與太陽引力是一樣一樣的。

結論:宇宙中所有恆星都沒有辦法吸引住自身輻射出的光。

就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。

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