新发现的HR6819系统黑洞为啥令科学家们出虚汗?

最近,欧洲南方天文台发现一个距离我们最近的黑洞,很多人由此引发忧虑,既然最近,那么对我们有威胁吗?

为了让大家放心,先说结论:不会。重要的事情说三遍:不会、不会、不会。

好,我们现在来说说道理。

首先介绍一下这颗黑洞的来历。

这是一颗最近发现的黑洞。5月6日,欧洲南方天文台发布消息,发现了一个距地球1000光年的黑洞,宣称这是迄今距离我们最近的一颗黑洞。

这颗黑洞属于一个编号为HR6819的系统,位于望远镜座,有两颗伴星围绕着黑洞旋转。

还有人宣称这是迄今为止发现的最小黑洞,其质量约太阳的4.2倍。

但在2019年,俄亥俄州立大学的研究人员在《科学》杂志上发表过一项研究,宣称可能发现了一颗最小黑洞,质量约太阳的3.3倍。

因此这颗黑洞是不是迄今最小的还需进一步讨论。但如果说是迄今距离我们“最近最小”的黑洞则似乎没有争议。

理论认为,宇宙中恒星死亡生成的典型黑洞最小为太阳质量的2.06倍,但所谓典型黑洞是指不旋转黑洞,但一颗大质量恒星死亡后的尸骸必须继承其角动量,因此还没有发现有不旋转的白矮星、中子星,当然更没有不旋转的黑洞。

因此,最小黑洞被认为应不小于太阳质量的3.2倍。

这颗黑洞质量距离最小旋转的黑洞质量已经很接近了。

现在来说说黑洞的引力。

这颗黑洞既然是迄今与我们距离最近,就有人担心对我们会不会有威胁,要不要做好应对准备。

其实这种担心是多余的,因为这颗黑洞对我们完全没有什么影响。

黑洞对周围的最大影响是极端引力,一旦进入了黑洞的史瓦西半径,任何物质都有去无回。

但黑洞的史瓦西半径是很小的,其遵从的公式为:R=2GM/C?。

式中,R表示史瓦西半径大小,单位m;G为引力常量,一般取值6.67x10^-11N·m?/kg?;M为黑洞质量,单位kg;C为光速,取值299792458m/s。

根据公式计算,4.2倍太阳质量的黑洞史瓦西半径约12398米,也就是说在这颗黑洞奇点(中心质点)距离12公里多半径的球面以内,一切物质都是有去无回的。

但我们实际上距离这个黑洞1000光年。

1光年为9.46万亿公里,1000光年就是9460万亿公里。一个4.2倍太阳质量天体对我们的引力影响,在这种距离完全可以忽略不计了。

而且,这个HR6819三星系统不是朝着我们运行过来,而是正在远离我们而去,其径向速度 为(R v)+15.0 ± 4.2 [2] km / s,所以它未来也不会对地球构成威胁。

所有的天体引力都要遵从万有引力定律。

牛顿最伟大之处就是发现了万有引力定律,这是人类发现的四种基本力中最早发现的一种力,这种力广泛存在于世界每一个角落,尤其是天体运行都是遵从这个定律。

这个发现在300多年前,至今还非常正确,应用于各种研究中。

黑洞也是天体,虽然有些特殊,但同样必须遵守万有引力定律,因为这是大自然规律。

万有定律表达式为:F=GMm/r?

式中,F表示万有引力值,G为引力常量,M和m表示两个相互作用物体的质量,r为前面两个物体的质心距离。

这个定律适用于我们世界任何物体,小到原子,大到天体,包括所有恒星、行星、白矮星、中子星、黑洞、星系都要遵从这个规律。

因此黑洞的引力实际上与任何天体是一样的,都是与质量成正比,与距离平方成反比的。

只要质量相同,引力影响范围就一样大。

所以,4.2倍太阳质量的黑洞,与4.2倍太阳质量的恒星引力是一样大的。

那为什么黑洞引力那么极端呢?这是因为黑洞小,同等质量的黑洞比同等质量的恒星体积小多了,这样,如果靠近黑洞,就已经靠近其质心了,这里的引力才会极端大。

比如太阳,其质量为1.9891x10^20kg,半径为69.6万公里。

如果太阳成为黑洞,其史瓦西半径只有2952米。如果一个物体到了这颗黑洞2952米的范围,就有去无回,连光也无法逃逸。

但在距离这颗黑洞质心三、五千米的地方,就不是无限引力了。虽然这里的引力还是很极端的,一旦被捕获,还是很难逃逸,但逃脱已经有了希望,如果达到光速一半的话,就有可能逃逸。

如果在这颗太阳变成的黑洞距离质心69.6万公里的地方,其逃逸速度就与太阳一样了。太阳表面逃逸速度为617.7公里,太阳一样质量的黑洞距离质心相当于太阳表面的地方,逃逸速度也是617.7公里。

这就是黑洞引力与任何天体引力一样大的一个比喻。当然这只是比喻,太阳是成不了黑洞的,要太阳质量40倍左右以上的恒星,死亡时发生超新星大爆炸,才有可能留下一个3倍以上太阳质量的黑洞。

大于4.2倍太阳质量的恒星围绕着我们有很多。

既然黑洞与任何天体引力一样大,只要大于恒星表面距离的地方,黑洞引力与恒星引力的影响就完全一样了。

而我们距离这颗黑洞1000光年。引力虽然属长程力,理论上影响无限远,但引力是与距离平房衰减的,1000光年距离,即便是百倍太阳质量,对我们的影响也可以忽略不计了。

在我们1000光年距离内,围绕着许多大于4.2倍太阳质量的恒星,如果一定说影响,它们都比HR6819系统黑洞对我们的影响要大多了。

随便列举几颗恒星:

天狼星,是除太阳外全天最亮的恒星。这是一个双星系统,包含一颗蓝矮星和一颗白矮星,质量分别为太阳的2倍和1倍,虽然没到4.2倍,但距离我们只有8.6光年。

水委一,是波江座α星,是全天第9亮星。质量约为太阳的6~8倍,距离我们约80光年。

角宿一,即室女座α星,为全天第17亮星。质量约为太阳10倍,距离我们约260光年。

老人星,即船底座α星,是全天第4亮星。质量约太阳9.5~12倍,距离太阳系约310光年。

十字架二,是南十字座内最亮的恒星,是全天第13亮星。这是一个三合星系统,肉眼可分辨两颗星,这两颗星质量约太阳的14倍和10倍,距离我们约320光年。

参宿四,又称猎户座 α 星,是一颗处于猎户座的红超巨星,是全天第12亮星,质量约为太阳的12~15倍,距离我们约600光年。

还有十字架三,是个双星系统,其中一颗亮星质量约为太阳14倍,距离我们约350光年;马腹一,是一个三合星系统,质量分别为10/10/4.61倍太阳质量,距离约390光年;参宿七,质量约为太阳18倍,距离我们约850光年。

还有不少在1000光年以内的大于10倍太阳质量的恒星,这里就不一一列举了。

这些恒星的引力都大于HR6819系统黑洞,如果有威胁,这些恒星对我们的威胁比HR6819黑洞大多了。

尤其这些恒星大多数都在演化后期,很可能会爆发成超新星,如果发生伽马射线暴扫中地球,将对地球生态造成重大影响。但这种太阳质量10倍左右的恒星还是属于中小质量恒星,发生伽玛暴的概率非常微小,因此地球还是比较安全的。

有人认为HR6819系统黑洞的发现是开了个“坏头”。

因为HR6819系统黑洞被发现是一种全新的黑洞发现模式,过去用X射线望远镜大面积全天区扫描,发现了许多黑洞,但这颗黑洞漏网了。

用这种方法扫描天区,许多遥远的黑洞都被发现了,为什么潜伏在我们身边的这颗黑洞没有被发现呢?

而且这个HR6819系统是在人类肉眼极限之内,视星等为5.45,天气好目力好的人肉眼就可以看到。

这么近这么清晰的一个黑洞,怎么就没有发现呢?

原来HR6819系统黑洞是一个安静的“潜伏者”,它没有吸积盘(或者小到难以发现),因此才在钱德拉X射线望远镜的全天区扫描中成了漏网之鱼!

研究小组开始只是把HR6819作为一个双星系统研究的,偶尔发现它们的运行轨迹不对劲,再仔细观察才发现中间有引力源,拉扯着这个双星系统运动。

这个引力源是一个完全黑暗的世界,没有一丝亮光。

一般黑洞都会有吸积盘和大量的X射线迸发,但这一颗没有。科学家们用位于拉西拉的MPG/ESO 2.2米望远镜上的费罗斯光谱仪观测表明,两颗可见恒星其中的一颗每40天绕这一个看不见的物体运行一圈,而第二颗恒星与这颗距离较远。

由此它们发现这个原本以为是双星的天体系统,竟然有3个天体,其中一个完全看不见!这是完全依靠引力摄动发现的一颗黑洞!

这是冰山一角吗?在我们周围这种无声无息的“潜伏者”还有多少?有没有距离非常近的呢?

这才是天文学家们惊出一身冷汗的原因。

所以,有人说这是开了个“坏头”,这个“坏头”坏就坏在为人类报了“忧”,很可能我们周围有很多这样的“潜伏者”,威胁着人类生存。

其实这个“坏头”开的很好,为寻找一种新型潜在黑洞提供了方法,给人类过去寻找这种危险存在过于马虎敲了一记警钟。

就是这样,欢迎讨论,感谢阅读。

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