關(guān)于黑洞，你的了解有多少？

天體物理學家告訴你三個關(guān)于黑洞的真相

(資料圖片)

有光冕的黑洞（公共域）

就我所知，人們對黑洞的誤解主要有以下三個：

誤解一、星系圍繞其中心的黑洞旋轉(zhuǎn)。

在我們熟悉的太陽系里，一眾的行星、小行星、以及諸如冥王星之類徒有虛名的巖塊，都圍繞一個中心天體運動。天文學家稱之為開普勒系統(tǒng)，即符合開普勒運動定律的系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)里，絕大部分系統(tǒng)總質(zhì)量集中在中心天體上，其他天體因此可以被看作理想化的實驗粒子。它們遵循開普勒定律沿橢圓軌道圍繞巨大的中心天體公轉(zhuǎn)，平均軌道速度隨著遠離中心天體而減小。

很多人覺得在星系里也是一樣，恒星和星云都圍繞星系中心的黑洞運動。但事實并非如此。我們都知道恒星運行的軌道速度與它們的軌道半徑基本上沒有關(guān)系，因此整個星系并不是開普勒系統(tǒng)?，F(xiàn)在我們已經(jīng)能夠估算出包括銀河系中心的人馬座A*（Sagittarius A*）在內(nèi)的一些黑洞的質(zhì)量，我們可以更精確地進行計算。我們可以算出星系中心黑洞的引力范圍，在這個大致為球狀的范圍里黑洞的引力勢能壓倒了各星系本身的引力。具體計算方法如下：

其中MH為黑洞的質(zhì)量，σ為恒星的離散速度。

代入人馬座A*的數(shù)值，我們可以得出它的引力范圍的半徑約為3秒差距（1秒差距=3.26光年。除非是在接受媒體采訪，否則天文學家基本不會用到“光年”作為距離單位）。這在整個銀河系里是非常小的一個區(qū)域，它的意思是在銀河系2000多億顆恒星里，真正意義上圍繞人馬座A*公轉(zhuǎn)的只有100多顆。而我們的太陽系距離銀河系中心8000多秒差距，位于靠近星系中心的三分之一半徑處。

其實只要把人馬座A*的質(zhì)量與銀河系的質(zhì)量做一個比較，我們就能看出人馬座A*在引力上的影響多么的微不足道。人馬座A*的質(zhì)量約等于360萬個太陽系，而整個銀河系的恒星、氣體和暗物質(zhì)加在一起大概等于1012個太陽系。兩者間的差距是百萬級的。

誤解二、黑洞會吞掉它周圍的所有物體。

如上所述，我們了解到黑洞引力范圍之外的恒星并不是繞黑洞公轉(zhuǎn)的。那么問題來了，人馬座A*周圍3秒差距范圍內(nèi)的100多顆恒星，它們是否應該擔心自己某天會被當成點心吞掉呢？

首先，黑洞的引力與其他有質(zhì)量的物體產(chǎn)生的引力并無不同。中心天體的引力不會使周圍的天體掉落（除非該天體在中心天體參照系中軌道切線上的速度為零），而是使之圍繞中心運行。地球繞太陽轉(zhuǎn)了45億年而沒有掉到太陽上去，就是這個道理。假如把太陽換成一個具有相同質(zhì)量的黑洞，地球的運行也不會有任何不同，這是由于牛頓的角動量守恒定律決定的。

需要特別說明的是：根據(jù)廣義相對論，繞黑洞運行的天體軌道會出現(xiàn)超出牛頓力學范疇的歲差，而這些歲差只有在非常接近視界的地方才會變得明顯。接下來我將說明，一般情況下如果你去到離黑洞那么近的地方，你面臨的問題可比軌道歲差要嚴重的多。

對于那100多顆在人馬座A*周圍3秒差距之內(nèi)的恒星來說，它們需要擔心的是我們稱之為潮汐效應（俗稱意面化）的問題。之所以會發(fā)生潮汐效應是因為引力與距離平方成反比。當恒星太過靠近黑洞時，它面向黑洞的一側(cè)受到的引力會遠大于另一側(cè)。當它和黑洞的距離縮小至某個臨界點時，來自黑洞的潮汐力超過恒星自身的重力，恒星將被撕裂，恒星物質(zhì)將被黑洞吸進肚子里。那么這個臨界的距離是多少？通過如下計算我們可以算出黑洞的潮汐半徑：

其中M*和R*是被吞噬恒星的質(zhì)量和半徑。

代入太陽和人馬座A*的數(shù)據(jù)，我們得出人馬座A*的潮汐半徑是1億公里，還不到1個天文單位（1天文單位等于地球到太陽的平均距離），相比它3秒差距的引力范圍實在是微不足道。而那100多顆引力范圍內(nèi)的恒星全都遠在潮汐半徑之外，比如我們所知的最近人馬座A*的SO-2恒星，它最靠近的時候離黑洞還有120個天文單位呢。

關(guān)于這個問題我本該就此打住的，但我想利用這個機會介紹另一項黑洞物理學的非凡成就。

如果說在星系不斷演變的過程中，許多恒星的運行軌道可能落入黑洞的潮汐半徑內(nèi)而淪為其獵物，那么黑洞的胃口能有多大呢？

由于被捕獲的恒星相對黑洞仍然在轉(zhuǎn)動，同時由于角動量守恒，恒星上的物質(zhì)不會直接跌入黑洞，而是在黑洞周圍形成一個吸積盤。盤內(nèi)的物質(zhì)相互摩擦導致它們不斷向吸積盤深處移動，最后進入黑洞視界。在這個過程中，物質(zhì)的動能轉(zhuǎn)化為熱能，釋放出輻射。而輻射產(chǎn)生壓力，這個壓力和引力類似，與距離平方成反比。最終輻射產(chǎn)生的壓力與潮汐引力達到平衡，此時吸積率也達到最大值。吸積率的峰值只與黑洞的質(zhì)量相關(guān)，也就是我們說的愛丁頓極限（由于愛丁頓極限以球?qū)ΨQ為前提，且假設吸積物質(zhì)僅為離子化的氫，計算結(jié)果僅為近似值）。

回到人馬座A*，它的最大吸積率約為每年百分之一太陽系物質(zhì)總量，同時產(chǎn)生約1011L⊙的亮度，即相當于1000億倍太陽亮度，大致等于銀河系所有恒星的亮度總和。

綜上所述，黑洞并非毫無節(jié)制的吞食者，它們在吃進去的同時也沒少吐出來呢。

誤解三、黑洞的密度都超級大。

的確，小型黑洞的密度極大。但那些位于星系中心的大型黑洞就沒有那么致密了。

這可以簡單地表示為：

請注意，黑洞并沒有通常意義上的半徑，因此無法明確定義其體積和密度。但如果把視界看成黑洞的邊界，我們將得到：

代入數(shù)值后得出：

對于一個質(zhì)量和普通恒星相當，約為10M⊙（即10倍太陽質(zhì)量）的黑洞來說，它的密度大概為10^16千克/立方米，即水密度的1千萬個百萬倍。據(jù)估計，這樣的黑洞銀河系里約有1億個。

而人馬座A*的密度約為10^6千克/立方米，約等于水密度的1千倍。值得一提的是，人馬座A*的個頭在如銀河系規(guī)模的星系里真是非一般的小啊。

那么在一個規(guī)模過得去的星系里，一個典型的超巨型黑洞應該是怎樣的呢？它的質(zhì)量應該約為(10^8)M⊙（1億倍太陽質(zhì)量），密度應該約為100千克/立方米（水密度的十分之一）。

目前已知最大的一個超巨型黑洞位于NGC1600星系中心，它的質(zhì)量有170億個太陽那么大。而它的密度則只有0.01千克/立方米，相當于水密度的十萬分之一，也相當于地球上海平面大氣密度的百分之一。

BY: Renee

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