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很多恒星质量比黑洞都要大,黑洞一毛不拔!为什么恒星还能发光?

距离地球最近的黑洞是2800光年外的麒麟座V616,我们能观测到它完全得益于它有一颗0.5倍太阳质量的黑洞,因为黑洞的引力扰动对这颗恒星的运行以及光谱都发生了变化,从而可以计算出这颗黑暗天体的质量高达太阳的9-13倍,而高于奥本海默极限的天体成了距离地球最近的候选黑洞之一!

一、为什么我们难以直接发现黑洞?

黑洞不发光,因此在黑暗背景下的宇宙中是难以通过光学望远镜直接发现的,那么我们是怎么发现黑洞的呢?

1、对伴星的引力扰动

2、伴星的光谱引力红移

3、引力透镜

4、通过吸积盘的超强X射线源

而通过异常X射线源是发现黑洞的主要途径!但这有一个问题,黑洞不是不发光么,怎么又能通过X射线源来发现黑洞的踪迹?

钱德拉硬X射线望远镜发现银心附近众多的X射线源,因为这是黑洞的吸积盘所发出,因为物质在掉落黑洞前会被极度压缩加热后的辐射,或者称之为“最后的呐喊”也不为过!但过了黑洞的视界之后,黑洞除了引力和传说中的霍金辐射以外,就不会再辐射任何其它信号了!

二、很多星的质量都远超黑洞,为什么黑洞不发光,而恒星依然发光呢?

其实比黑洞质量大的恒星有很多,在银河系中比如海山二,它的质量大约是太阳的100-150倍!在大麦哲伦星系蜘蛛星云中的R136a1,则是已知恒星中质量最高的,大约是太阳的256倍!当然R136星团中个个都是巨无霸,比如R136a2约为太阳的179倍,R136a3约为太阳的180倍!蜘蛛星云看来是一片福地,恒星质量都极高!这些恒星无疑都远超很多黑洞,比如上文的麒麟座V616,为太阳质量的9-13倍!天鹅座X-1则为太阳的8.7倍,跟这些恒星比起来,黑洞就是一个小弟弟!那么为什么黑洞连光都无法逃脱,恒星则整体无所事事的发光发热呢?

也许我在这里必须得引入一个环绕速度的概念!

环绕速度即第一宇宙速度,当物体环绕天体运行速度够高时,圆周运动产生的“离心力”与该物体与受到的引力平衡,那么此时它将一直环绕天体而不至于掉落!但此时它也无法逃逸,必须拥有更高的速度!两者的关系是

G为万有引力常数

M为天体质量(非物体质量)

r为天体半径

这几个参数中G是固定不变的,在一定的情况下天体的质量M与半径有一个变化范围:

恒星质量范围:0.08-256倍太阳质量(R136a1为例)

恒星的半径范围:0.1-1708太阳直径

而一个在主序星状态的恒星的半径与质量大致呈一个正比,因此我们可以计算出恒星的环绕速度总是一个并不是特别大的正整数值:

太阳的环绕速度:436.6KM/S

天狼星的环绕速度:479.4千米/S

R136a1的环绕速度:1174.1KM/S

可见在主序星阶段的恒星的环绕速度和质量基本成比例提升,但即使是质量最高的R136a1,也只有1174千米/S而已,而光每秒接近30万千米,因此从表面逃逸是轻而易举的事情!

那么黑洞呢?其环绕速度是多少?

要计算黑洞的环绕速度,必须要了解一个史瓦希半径的概念!

史瓦希半径:任何有质量物体的一个临界半径值,只要该物体坍缩至这个尺寸下,那么将无可避免的坍缩成黑洞!

其实眼见的朋友就已经发现了,这是以光速为逃逸速度计算的一个物体的半径!也就是第二宇宙速度公式的一个变换!在这个半径上,环绕速度为光速!太阳的史瓦希半径为2.952千米!地球的史瓦希半径约为9毫米!只要天体坍缩到这个尺寸时,再强大的光都无法逃逸,但在史瓦希半径以外,逃逸速度小于光速!

当然在说明黑洞环绕速度时说的都是在史瓦希半径处的环绕速度,因为黑洞并不是一个有实体尺寸的天体,它的奇点直径无限小,因此无论是从环绕速度还是逃逸速度计算,你会发现速度都是无穷大,因此没有任何已知物质可以从黑洞的史瓦希半径内逃逸!

也可以简单的理解成,在这个问题中,质量很关键,因为只有大于奥本海默极限(3.2倍太阳)以上的天体才可能坍缩为黑洞,但它的尺寸更关键!这是让光能否逃离的绝对参考值!

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