如果地球上有一個(gè)大小為1毫米的黑洞,會(huì)發(fā)生什么?這個(gè)問(wèn)題我們首先說(shuō)下黑洞是什么,也就是人們對(duì)黑洞的定義,以及它如何形成的?
黑洞是什么?
黑洞是一個(gè)密度無(wú)限大,空間極度扭曲的天體,其中心位置的引力非常大,即使是宇宙中移動(dòng)速度最快的粒子(光子)也無(wú)法逃脫引力束縛,因此被稱(chēng)為“黑洞”。我們對(duì)黑洞的定義就是如此簡(jiǎn)單。
1915年,德國(guó)物理學(xué)家和天文學(xué)家卡爾·史瓦西在愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論的精確解后,得出了現(xiàn)代版本的黑洞。
史瓦西意識(shí)到質(zhì)量有可能被壓縮到一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)。這將使其周?chē)臅r(shí)空無(wú)限彎曲,以至于沒(méi)有任何東西(甚至沒(méi)有質(zhì)量的光子)可以逃脫黑洞的空間曲率。在黑洞周?chē)幸粋€(gè)視界面,視界面和無(wú)限密集的核心之間的距離(奇點(diǎn)),以史瓦西命名,稱(chēng)為史瓦西半徑。
理論上,所有質(zhì)量物體都有一個(gè)可以計(jì)算的史瓦西半徑。如果把太陽(yáng)的質(zhì)量壓縮到一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)上,就會(huì)形成一個(gè)半徑不到3公里的黑洞。類(lèi)似地,根據(jù)地球的質(zhì)量,無(wú)限壓縮地球我們就會(huì)得到一個(gè)史瓦西半徑只有9毫米的黑洞,不到1cm,如果忽略其質(zhì)量和引力,你完全可以把地球拿手上盤(pán)它!
黑洞是廣義相對(duì)論的一個(gè)奇異解,幾十年來(lái)一致飽受爭(zhēng)議,最大的問(wèn)題就是它是否存在,但隨著中子星等其他極端天體的發(fā)現(xiàn),以及天體物理學(xué)的發(fā)展,尤其是我們現(xiàn)在還獲得了第一張黑洞照片,因此今天人們相信大多數(shù)星系的核心都有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。但也有例外,有些矮星系中心并沒(méi)有黑洞,依然運(yùn)行完好,因此黑洞并不是整個(gè)星系的引力源,這跟我們熟知的太陽(yáng)系不一樣。
黑洞是如何形成的?
現(xiàn)在普遍認(rèn)為,質(zhì)量至少是太陽(yáng)質(zhì)量(8倍也有可能)10倍的恒星,一旦燃料耗盡,其核心就會(huì)發(fā)生極端的引力坍縮,產(chǎn)生Ⅱ型超新星爆發(fā)。在一個(gè)有限的空間中,巨大的質(zhì)量會(huì)克服原子之間的簡(jiǎn)并壓力,一路坍縮成一顆黑洞。
這時(shí)現(xiàn)代典型天體黑洞形成的過(guò)程,而另一種微型黑洞已經(jīng)被提出,但從未被觀(guān)測(cè)到。這些微型黑洞被認(rèn)為是早期宇宙在真空暴漲時(shí)期由高密度區(qū)域坍縮形成的,它們被稱(chēng)為原始黑洞,質(zhì)量很小,有些甚至接近地球的質(zhì)量,和地球的史瓦西半徑差不多。
如果地球上有一個(gè)大小為1毫米的黑洞,會(huì)發(fā)生什么?
首先我們并不會(huì)被黑洞直接吃掉,反而這是一個(gè)比較緩慢的過(guò)程。人們對(duì)黑洞的普遍誤解是,它們是宇宙中的真空吸塵器,吞噬著周?chē)囊磺小5F(xiàn)在的觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為它們不是哪種鐵公雞,只吃不吐,也就是說(shuō)黑洞的胃口并不大。它們吃多了也會(huì)往外吐,這就是我們常說(shuō)的黑洞物質(zhì)噴流,其破壞性極大。現(xiàn)在讓我們做一些計(jì)算。
如果地球是黑洞,則其半徑為9毫米。這意味著1毫米的黑洞的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的10%。這意味著微型黑洞吞噬物質(zhì)不成問(wèn)題。
假設(shè)黑洞出現(xiàn)在地球表面,它的影響范圍大約是地球半徑的三分之一。該區(qū)域的所有物質(zhì)都能感受到來(lái)自黑洞的強(qiáng)大引力。此外,如果黑洞以小于12公里/秒的相對(duì)速度出現(xiàn)在地球表面,那么它將環(huán)繞地球運(yùn)行。這意味著地殼和大部分地幔將會(huì)被引力破壞,地球表面的所有生物也將死亡。
地球質(zhì)量的很大一部分會(huì)被黑洞吸引,并且在黑洞周?chē)纬梢粋€(gè)吸積盤(pán)。吸積盤(pán)的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,這些熱量會(huì)以高能射線(xiàn)輻射出去。輻射也會(huì)產(chǎn)生壓力,壓力會(huì)限制黑洞的進(jìn)一步的吸積。這兩種效應(yīng)會(huì)在所謂的愛(ài)丁頓光度上達(dá)到平衡。吸積盤(pán)形成的光度大約是太陽(yáng)光度的0.5% !或者,在地球附近每秒鐘大約有1000萬(wàn)顆沙皇炸彈爆炸(人類(lèi)有史以來(lái)最大的爆炸)!黑洞附近的溫度將達(dá)到驚人的10億開(kāi)爾文。這意味著輻射主要是伽馬射線(xiàn)和x射線(xiàn)。
因此地球會(huì)被慢慢吞噬,然后分解成基本粒子噴射出去。這就是一顆微型黑洞靠近地球的結(jié)果。
這個(gè)問(wèn)題有趣的地方在于,這種類(lèi)型的黑洞并非完全不存在。雖然它們不可能在現(xiàn)在的宇宙中形成,但在大爆炸之后不久的早期宇宙,密度過(guò)高的區(qū)域可能會(huì)產(chǎn)生許多這樣的“原始黑洞”。這種原始黑洞的允許質(zhì)量在10^14到10^24公斤之間。由于霍金輻射,質(zhì)量較小的黑洞會(huì)蒸發(fā),質(zhì)量稍大一點(diǎn)的黑洞我們可能探測(cè)不到。事實(shí)上,原始黑洞可能是暗物質(zhì)的候選者之一。因此1毫米黑洞符合允許的質(zhì)量上限,它們可能會(huì)存在于現(xiàn)在的宇宙中。