黑洞不是不吸引太陽(yáng)和月亮,事實(shí)恰恰相反,正是由于黑洞對(duì)太陽(yáng)、地球、月亮等都有吸引,才能形成當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)軌跡。只是在考慮這個(gè)問(wèn)題時(shí),我們需要分析天體各自的綜合受力情況。
黑洞對(duì)太陽(yáng)的吸引
我們知道,太陽(yáng)系是更大星系——銀河系的一個(gè)組成部分。太陽(yáng)質(zhì)量在整個(gè)太陽(yáng)系中占比達(dá)99.8%以上,可謂不折不扣的一家獨(dú)大。
銀河系由約4,000億顆恒星系組成,太陽(yáng)系是其中成員之一。
天文學(xué)家普遍認(rèn)為,每個(gè)大型星系中心都至少有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。銀河系也不例外,銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞,其引力范圍管轄著周邊10億光年的宇宙空間。當(dāng)然,銀河系的黑洞遠(yuǎn)不止中心一個(gè)。
太陽(yáng)系距銀河系中心約2.5萬(wàn)光年,毫無(wú)質(zhì)疑會(huì)受到銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的吸引。
以前,通常認(rèn)為太陽(yáng)作為恒星,是靜止不動(dòng)的。各大行星帶著自家衛(wèi)星及零散成員圍繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn),理想的畫(huà)面是這樣???
其實(shí),在銀河系超大質(zhì)量黑洞的引力之下,太陽(yáng)帶領(lǐng)太陽(yáng)系成員,也在圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn),近兩年流行的畫(huà)面是這樣???
既然黑洞這么厲害,那它為什么沒(méi)有把太陽(yáng)直接吸進(jìn)去呢?
小時(shí)候,我們應(yīng)該都玩過(guò)的一個(gè)簡(jiǎn)單小游戲,大致構(gòu)造是繩子的一端拽在手里,另外一端系著一個(gè)物體(如小球,鐵環(huán)、石子、木棍等之類),然后使勁的甩著轉(zhuǎn)圈。
如果想把物體甩的越快,很明顯能感覺(jué)到手上使出的力道也要更大些。當(dāng)我們放開(kāi)手中一端的繩子,物體就會(huì)飛出,不再轉(zhuǎn)圈。
中學(xué)物理課本中,我們都學(xué)過(guò)一個(gè)概念叫“向心力”。向心力的作用,就是無(wú)時(shí)無(wú)刻都想將運(yùn)動(dòng)的物體牢牢“牽”著,圍繞這個(gè)中心旋轉(zhuǎn)。而運(yùn)動(dòng)中的物體,仿佛受到某種拉扯,時(shí)刻想要飛離出去,這種“拉扯”稱之為“離心力”。離心力的大小,與物體的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度(線速度)息息相關(guān)。
離心力并非真實(shí)存在,是為了方便研究圓周運(yùn)動(dòng)物體的受力分析,設(shè)定的一個(gè)虛擬力。在定義上,對(duì)于作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,其離心力與向心力是同時(shí)存在、大小相同、方向相反的兩個(gè)力。
宇宙的任何物體都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),太陽(yáng)也是如此。運(yùn)動(dòng)著的太陽(yáng)始終想向一個(gè)無(wú)邊無(wú)際的方向直線飛去,當(dāng)它受到銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的萬(wàn)有引力牽引,由遠(yuǎn)及近一開(kāi)始速度不斷加大,同時(shí)改變了原本直線運(yùn)動(dòng)的方向,朝銀河系中心黑洞位置靠近。距離近了,太陽(yáng)受到黑洞的引力也進(jìn)一步增加。
當(dāng)改變了運(yùn)動(dòng)方向的那一刻,太陽(yáng)的“離心力”就體現(xiàn)出來(lái)了,因?yàn)樗孟袷艿侥撤N拉扯(其實(shí)是慣性作業(yè)),還想繼續(xù)保持前一刻的那種直線狀態(tài)。但由于黑洞的這種牽引時(shí)刻都在發(fā)生著,太陽(yáng)的直線方向也就時(shí)刻在改變著。
太陽(yáng)受到的萬(wàn)有引力和離心力大小,分屬的物理量有差異,最終會(huì)在其處于距離中心黑洞某個(gè)位置時(shí)兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,從而使得太陽(yáng)圍繞中心黑洞做規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)。
所以,如果太陽(yáng)沒(méi)有受到黑洞的吸引,它也就不會(huì)乖乖的停留在銀河系了。
但換句話說(shuō),太陽(yáng)即使不在銀河系逗留,在漫長(zhǎng)的征途中它總會(huì)碰到其他一些大型黑洞,還是會(huì)出現(xiàn)如上的一幕,最終圍繞另外某個(gè)黑洞旋轉(zhuǎn)。
黑洞對(duì)地球的吸引
地球相對(duì)于太陽(yáng),就像太陽(yáng)相對(duì)于銀河系中心的黑洞一樣。地球圍繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn),也是基于其圓周運(yùn)動(dòng)的離心力和太陽(yáng)萬(wàn)有引力提供的向心力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。
萬(wàn)有引力公式:
萬(wàn)有引力常數(shù)G是個(gè)定值。兩個(gè)天體,對(duì)同一個(gè)研究對(duì)象的引力大小,是與各自質(zhì)量M(太陽(yáng))、M(黑)成正比,與研究對(duì)象距這兩個(gè)物體的距離平方成反比。
這里說(shuō)的研究對(duì)象,就是地球。而兩個(gè)天體,就以太陽(yáng)及銀河系中心黑洞兩個(gè)為例,則有:
如果說(shuō)上式中M(黑洞)無(wú)法取準(zhǔn)確數(shù)值,而無(wú)法計(jì)算準(zhǔn)確結(jié)果的話,可以通過(guò)太陽(yáng)受黑洞萬(wàn)有引力F(黑洞對(duì)太陽(yáng))=F(太陽(yáng)向心力)=m(太陽(yáng))·ω2(太陽(yáng))·r(太陽(yáng)距黑洞)的1/333000,近似為地球受到黑洞的引力大小。求得這個(gè)比值的結(jié)果約為2.5億 :1。
上面的ω(太陽(yáng))=Ч/t,Ч為2π,t為太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期約2.5×10?年;地球距黑洞的距離可以近視為太陽(yáng)距黑洞的距離2.5萬(wàn)光年;而地球是太陽(yáng)質(zhì)量的1/333000,所以F(黑洞對(duì)地球)≈1/333000·F(黑洞對(duì)太陽(yáng))。
當(dāng)然,也可以直接用F(黑洞對(duì)地球)=m(地球)·ω2(地球)·r(地球距黑洞)來(lái)計(jì)算。這里的ω(地球)不是地球的公轉(zhuǎn)周期,而是等同于太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)周期ω(太陽(yáng))=2.5×10?年,且由于日地距離相對(duì)于太陽(yáng)距黑洞距離的2.5萬(wàn)光年可以忽略不計(jì),故r(地球距黑洞)≈r(太陽(yáng)距黑洞)。求出的比值結(jié)果依然是2.5億 :1。
由此可見(jiàn),黑洞對(duì)地球也是與吸引的,而且引力還不小。但相對(duì)于“近水樓臺(tái)”的太陽(yáng)對(duì)地球的吸引力,黑洞的吸引力又顯得九牛一毛,影響輕微,幾乎可以忽略不計(jì),甚至不值得一提。
黑洞對(duì)月亮的吸引
雖然問(wèn)題中未提及黑洞對(duì)地球是否有吸引,及引力作用的影響大小。但增加這一討論,也是為了更好回答黑洞對(duì)月亮吸引的影響。
月亮是地球的衛(wèi)星,被地球吸引圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)。其實(shí)同理,月亮也會(huì)受到黑洞的吸引,當(dāng)然還有太陽(yáng)。我們現(xiàn)在需要討論的是,月球受到地球吸引和黑洞吸引的引力大小比值。
同上第一節(jié),將F(黑洞對(duì)月亮)=m(月球)·ω2(月球)·r(月球距黑洞),求得比值約為1.1億 :1。
太陽(yáng)系內(nèi),月球離地球及太陽(yáng)的距離,相對(duì)于太陽(yáng)離黑洞2.5萬(wàn)光年均可以忽略不計(jì),即r(月球距黑洞)≈r(地球距黑洞)≈r(太陽(yáng)距黑洞)。月球伴隨地球和太陽(yáng)圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn),其ω=Ч/t中的t取值也是2.5×10?年。
1.1億 :1,這也就是說(shuō),相對(duì)于地球?qū)υ铝恋囊Γ诙磳?duì)月亮的引力大小仍然可以忽略不計(jì)。
依此類推,其實(shí)我們還可以求出F(太陽(yáng)對(duì)月亮) :F(黑洞對(duì)月亮),大小依舊約為2.5億 :1。
由此我們又發(fā)現(xiàn)另外一個(gè)問(wèn)題:太陽(yáng)對(duì)月亮的引力大小,比地球?qū)υ铝恋囊€大,是地球?qū)υ铝烈Υ笮〉?倍還多。
那么,月球?yàn)槭裁礇](méi)有直接被太陽(yáng)俘獲,而成為了地球衛(wèi)星,圍繞著地球旋轉(zhuǎn)呢?(歡迎大家評(píng)論區(qū)留意討論)。
綜上,太陽(yáng)、月亮及太陽(yáng)系其他成員,均受到了黑洞的吸引,但各自體現(xiàn)出的結(jié)果有較大差異。
黑洞對(duì)太陽(yáng)的吸引,表現(xiàn)出了太陽(yáng)圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)。
而在太陽(yáng)的勢(shì)力傘下,遙遠(yuǎn)的黑洞似乎有點(diǎn)鞭長(zhǎng)莫及,對(duì)系內(nèi)其他成員的影響力可以忽略不計(jì)。