黑洞为啥稳坐天体食物链的顶端,再小也能够吃掉再大的恒星?
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发布时间：2022-04-23 15:42
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时间：2022-07-18 14:13
在宇宙中，黑洞是顶级天体，它处于食物链的顶端，大小通吃，比黑洞大很多的恒星，只要靠近黑洞，也无可奈何的被黑洞吞噬。
为什么黑洞有这么大的能量和本领呢？这个问题常常引起一些人误解，认为黑洞就是因为其为一个极端的天体，就该吃掉一切。
还有的认为黑洞虽小，质量很大，所以能够吞噬一切；更多的认为是黑洞引力极大，才导致这种现象。
这些似乎说的都有道理，但最根本的本质是什么，却有很多人说不清楚。
我们这次就来彻底分析一下，把黑洞通吃的根源弄清楚。
黑洞的引力其实与任何同等质量天体是一样大的事实上，只要是这个世界上的物体，都必须遵循万有引力定律，黑洞也不除外。因此黑洞的引力并不比同等质量的恒星大，而是一样大。
万有引力是人类发现的第一种基本力，是迄今发现的四种基本力中的一种，艾萨克·牛顿最伟大之处，就是发现了万有引力，并给出了它的定律。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中，提出了万有引力定律，这个定律启蒙了人类文明，揭示了世上万物的运动规律，指导了人间科学三百多年。
万有引力的本质是质量对时空的扭曲。这一点虽然牛顿时代并没有给出，一直到爱因斯坦1915年发表的广义相对论才予以揭示，但牛顿的万有引力定律迄今仍然是人类认识世界最基本的基石。
万有引力定律表达式为：F=GMm/r²。式中，F为引力值，G为引力常量（6.67x10^-11N·m²/kg²），M和m是相互影响天体质量，r为天体之间距离。
在这个定律中，引力的大小是与质量成正比，与距离平方成反比的。因此同等质量的恒星与同等质量的黑洞引力就是一样大的。目前我们发现的黑洞，最小的有太阳质量的3倍多，而已知最大的恒星r136a1，质量是太阳的265~300倍。
那么3倍太阳质量的黑洞能吃掉300倍太阳质量的恒星吗？答案是肯定的。只要r136a1靠近黑洞，再小的黑洞也会吃掉它。既然同等质量的黑洞和恒星引力是一样的，为什么黑洞就一定会吃掉恒星呢？这就要说到黑洞之所以是天体食物链顶端的最根本原因了，那就是“小”。在同等质量的天体中，黑洞体积是最小的。
“小”才是黑洞最强大的武器。而这一点正是引力定律中根本的一点：引力大小与天体之间距离平方成反比。但这个距离不是表面到表面，而是质心起算的距离。恒星质心到表面距离很大，引力衰减的就很大；黑洞表面到质心的距离很短，表面引力就大到极端，通吃一切。那么黑洞的“小”，小到什么程度呢？这就不得不说到这个世界上最小的极限~史瓦西半径。
史瓦西半径的来历。何为史瓦西半径？这是1916年，德国天文学家、物理学家卡尔·史瓦西，根据刚刚问世不久的广义相对论，得出了爱因斯坦引力场论的一个精确解。他发现任何有质量的物体都有自己的压缩到最小的一个临界半径值，这个临界值是一个球状对称。
极大压力下，所有物质质量一旦被压进这个半径以内，就会出现奇异的现象：所有物质将无限坠落到中心无限小的奇点，而在临界半径球形范围出现无限引力场，在这个引力场里，任何物质都无法跳脱，包括光。这个半径与质量成正比，质量越大这个球就越大。这就是后来人们称为的“黑洞”。
人们把这个临界半径就叫史瓦西半径，以纪念发现它的卡尔·史瓦西。计算这个半径的公式为：
R=2GM/C²
式中，R为史瓦西半径（m），G为引力常量，从、C为光速。
根据这个公式，一座喜马拉雅山的史瓦西半径只有纳米级。纳米有多大？就是100万分之一毫米。地球的史瓦西半径约9毫米，太阳的史瓦西半径约3000米，r136a1的史瓦西半径约795000~900000米，也就是约795~900公里。
任何天体一旦接近黑洞的史瓦西半径，就会万劫不复。这就是再大的恒星或其他天体，也会被黑洞吞噬的原因。理论上宇宙中最小的黑洞不小于太阳质量的3倍。3倍太阳质量黑洞的史瓦西半径只有9000米，也就是9公里大，当天体物质靠近到它半径的9公里范围时，才会被无限引力所控制。
宇宙中最大的恒星r136a1半径达到2436万公里，其表面引力在黑洞面前是在不堪一提，其表面逃逸速度只有1808公里/秒，遇到逃逸速度大于30万公里的黑洞，还有活路吗？
因此，黑洞之所以吞噬一切，主要是因为它“小”。现在我们知道了，同等质量的天体，不管是黑洞，还是中子星、白矮星、恒星，在同等距离，引力都是一样的。问题是其他的天体质量与体积之比都大于黑洞，所以表面引力就完全不一样。中子星质量与体积之比比白矮星小；白矮星质量体积之比比一般恒星小，这样，恒星不但在黑洞面前，即便在中子星和白矮星面前，都只有被吃掉的结果。
不过中子星和白矮星都有一个质量临界点，吃多了就撑爆肚子，发生超新星爆炸，然后继续坍缩升级。这两个临界点叫钱德拉塞卡极限和奥本海默极限。前者是白矮星极限，质量达到太阳的1.44倍，就会发生爆炸，坍缩成一个中子星；后者是中子星极限，到达太阳质量的3倍左右，就会发生爆炸，坍缩成一个黑洞。‘
任何天体坍缩到了黑洞这一级，就到顶了。黑洞就没有撑爆肚子这个后顾之忧了，它永远也撑不饱，通吃通消化，偶尔打个饱嗝（喷发出高能射线），长到再大，还是黑洞。
距离我们104亿光年有一颗迄今已知最大的黑洞，坐落在猎犬座编号为TON618，已经有太阳质量的660亿倍，还在不停的吞噬着周边的天体物质，每年要吞掉4、5颗恒星。
引力大小最直观的表现，就是天体表面的逃逸速度。逃逸速度是根据动能公式和万有引力公式来计算的。
引力势能表达式为：E（r）=∫（GMm/r^2）dr=-GMm/r（以无穷远为零势能）
能量守恒表达式：mv^2/2=0-E（r）
r取天体半径时，可以得到逃逸速度公式：v=√（2GM/R）
式中，v为逃逸速度；G为引力常数，取值6.67x10^-11N·m²/kg²；M为天体质量；R为天体半径。
这样我们可以看到，一个天体的逃逸速度，是与天体质量和半径关联的，因此天体质量再大，由于其半径很大，逃逸速度就并不比质量小的星球大。
根据公式计算，黑洞史瓦西半径内逃逸速度大与光速，地球的逃逸速度为11.2公里/秒，太阳逃逸速度为617.7公里/秒。
已知质量最大的恒星是r136a1，其质量是太阳的约265~300倍，其逃逸速度是多少呢？r136a1半径为太阳的35倍来计算，根据太阳表面逃逸速度，我们可以测算出r136a1的逃逸速度为：
v2=v1x√(265/35)≈1700或v1x√(300/35)≈1808km/s
式中，v2为r136a1逃逸速度，v1为太阳逃逸速度。
我们可以看到，r136a1的逃逸速度才达到1700~1808公里/秒，而黑洞的逃逸速度大于光速，每秒大于30万公里，二者根本不是一个量级。
因此，一个逃逸速度才1808公里/秒的天体，能逃过逃逸速度大于光速的黑洞蹂躏吗？即便r136a1遇到再小的黑洞，也只有乖乖束手就擒。
现在明白了吧？这才是黑洞横行整个宇宙，一切通吃的根源。
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