关于黑洞的误解，你中了几条？最后一条你是不是很熟悉？

2023-01-15 12:08:07 来源：科普中国

关于黑洞，你的了解有多少？

天体物理学家告诉你三个关于黑洞的真相

(资料图片)

有光冕的黑洞（公共域）

就我所知，人们对黑洞的误解主要有以下三个：

误解一、星系围绕其中心的黑洞旋转。

在我们熟悉的太阳系里，一众的行星、小行星、以及诸如冥王星之类徒有虚名的岩块，都围绕一个中心天体运动。天文学家称之为开普勒系统，即符合开普勒运动定律的系统。在这类系统里，绝大部分系统总质量集中在中心天体上，其他天体因此可以被看作理想化的实验粒子。它们遵循开普勒定律沿椭圆轨道围绕巨大的中心天体公转，平均轨道速度随着远离中心天体而减小。

很多人觉得在星系里也是一样，恒星和星云都围绕星系中心的黑洞运动。但事实并非如此。我们都知道恒星运行的轨道速度与它们的轨道半径基本上没有关系，因此整个星系并不是开普勒系统。现在我们已经能够估算出包括银河系中心的人马座A*（Sagittarius A*）在内的一些黑洞的质量，我们可以更精确地进行计算。我们可以算出星系中心黑洞的引力范围，在这个大致为球状的范围里黑洞的引力势能压倒了各星系本身的引力。具体计算方法如下：

其中MH为黑洞的质量，σ为恒星的离散速度。

代入人马座A*的数值，我们可以得出它的引力范围的半径约为3秒差距（1秒差距=3.26光年。除非是在接受媒体采访，否则天文学家基本不会用到“光年”作为距离单位）。这在整个银河系里是非常小的一个区域，它的意思是在银河系2000多亿颗恒星里，真正意义上围绕人马座A*公转的只有100多颗。而我们的太阳系距离银河系中心8000多秒差距，位于靠近星系中心的三分之一半径处。

其实只要把人马座A*的质量与银河系的质量做一个比较，我们就能看出人马座A*在引力上的影响多么的微不足道。人马座A*的质量约等于360万个太阳系，而整个银河系的恒星、气体和暗物质加在一起大概等于10¹²个太阳系。两者间的差距是百万级的。

误解二、黑洞会吞掉它周围的所有物体。

如上所述，我们了解到黑洞引力范围之外的恒星并不是绕黑洞公转的。那么问题来了，人马座A*周围3秒差距范围内的100多颗恒星，它们是否应该担心自己某天会被当成点心吞掉呢？

首先，黑洞的引力与其他有质量的物体产生的引力并无不同。中心天体的引力不会使周围的天体掉落（除非该天体在中心天体参照系中轨道切线上的速度为零），而是使之围绕中心运行。地球绕太阳转了45亿年而没有掉到太阳上去，就是这个道理。假如把太阳换成一个具有相同质量的黑洞，地球的运行也不会有任何不同，这是由于牛顿的角动量守恒定律决定的。

需要特别说明的是：根据广义相对论，绕黑洞运行的天体轨道会出现超出牛顿力学范畴的岁差，而这些岁差只有在非常接近视界的地方才会变得明显。接下来我将说明，一般情况下如果你去到离黑洞那么近的地方，你面临的问题可比轨道岁差要严重的多。

对于那100多颗在人马座A*周围3秒差距之内的恒星来说，它们需要担心的是我们称之为潮汐效应（俗称意面化）的问题。之所以会发生潮汐效应是因为引力与距离平方成反比。当恒星太过靠近黑洞时，它面向黑洞的一侧受到的引力会远大于另一侧。当它和黑洞的距离缩小至某个临界点时，来自黑洞的潮汐力超过恒星自身的重力，恒星将被撕裂，恒星物质将被黑洞吸进肚子里。那么这个临界的距离是多少？通过如下计算我们可以算出黑洞的潮汐半径：

其中M*和R*是被吞噬恒星的质量和半径。

代入太阳和人马座A*的数据，我们得出人马座A*的潮汐半径是1亿公里，还不到1个天文单位（1天文单位等于地球到太阳的平均距离），相比它3秒差距的引力范围实在是微不足道。而那100多颗引力范围内的恒星全都远在潮汐半径之外，比如我们所知的最近人马座A*的SO-2恒星，它最靠近的时候离黑洞还有120个天文单位呢。

关于这个问题我本该就此打住的，但我想利用这个机会介绍另一项黑洞物理学的非凡成就。

如果说在星系不断演变的过程中，许多恒星的运行轨道可能落入黑洞的潮汐半径内而沦为其猎物，那么黑洞的胃口能有多大呢？

由于被捕获的恒星相对黑洞仍然在转动，同时由于角动量守恒，恒星上的物质不会直接跌入黑洞，而是在黑洞周围形成一个吸积盘。盘内的物质相互摩擦导致它们不断向吸积盘深处移动，最后进入黑洞视界。在这个过程中，物质的动能转化为热能，释放出辐射。而辐射产生压力，这个压力和引力类似，与距离平方成反比。最终辐射产生的压力与潮汐引力达到平衡，此时吸积率也达到最大值。吸积率的峰值只与黑洞的质量相关，也就是我们说的爱丁顿极限（由于爱丁顿极限以球对称为前提，且假设吸积物质仅为离子化的氢，计算结果仅为近似值）。

回到人马座A*，它的最大吸积率约为每年百分之一太阳系物质总量，同时产生约10¹¹L⊙的亮度，即相当于1000亿倍太阳亮度，大致等于银河系所有恒星的亮度总和。

综上所述，黑洞并非毫无节制的吞食者，它们在吃进去的同时也没少吐出来呢。

误解三、黑洞的密度都超级大。

的确，小型黑洞的密度极大。但那些位于星系中心的大型黑洞就没有那么致密了。

这可以简单地表示为：

请注意，黑洞并没有通常意义上的半径，因此无法明确定义其体积和密度。但如果把视界看成黑洞的边界，我们将得到：

代入数值后得出：

对于一个质量和普通恒星相当，约为10M⊙（即10倍太阳质量）的黑洞来说，它的密度大概为10^16千克/立方米，即水密度的1千万个百万倍。据估计，这样的黑洞银河系里约有1亿个。

而人马座A*的密度约为10^6千克/立方米，约等于水密度的1千倍。值得一提的是，人马座A*的个头在如银河系规模的星系里真是非一般的小啊。

那么在一个规模过得去的星系里，一个典型的超巨型黑洞应该是怎样的呢？它的质量应该约为(10^8)M⊙（1亿倍太阳质量），密度应该约为100千克/立方米（水密度的十分之一）。

目前已知最大的一个超巨型黑洞位于NGC1600星系中心，它的质量有170亿个太阳那么大。而它的密度则只有0.01千克/立方米，相当于水密度的十万分之一，也相当于地球上海平面大气密度的百分之一。

BY: Renee