如果有東西掉到了黑洞的裡面,那麼會發生什麼?

黑洞 相對論 物理 數學 宇宙 旅行 水星 天文在線 2019-06-01
如果有東西掉到了黑洞的裡面,那麼會發生什麼?

在黑洞外面,取決於物質的形態。如果剛好是氣態物質繞著黑洞的吸積盤軌道,當單個原子以越來越快的速度碰撞,產生摩擦和熱量時,物質會被加熱到非常高的溫度。氣體越靠近黑洞和它的事件視界,越多的引力能被轉換成動力能,最終原子劇烈碰撞至剝離電子形成等離子體。全程電子以越來越高的能量放射光,首先是光輻射,然後是紫外線,之後是x射線。最後,在它穿過事件視界之前,是伽馬射線。

如果有東西掉到了黑洞的裡面,那麼會發生什麼?

這裡是典型的計算下的吸積盤模型,在物理學家Kovak Zoltan舉的案例中,一個200萬太陽質量的黑洞的吸積質量為每100萬年2.5個太陽質量。即使是在巨大的黑洞周圍,溫度也非常高。這個黑洞的事件視界距離為500萬千米。橫軸上的第一個標記是 “5”,意思是視界半徑的5倍,或者說距離黑洞中心3000萬公里。這大約是太陽到水星的距離!

如果有東西掉到了黑洞的裡面,那麼會發生什麼?

如果這個物質在被黑洞的引力捕獲的恆星裡,這個恆星的軌道在十幾億年裡會由於引力輻射的發射而減小。最終這個恆星將會很靠近黑洞,至於它的命運如何取決於捕獲它的黑洞的質量。如果它是個恆星質量級別的黑洞,黑洞的潮汐引力將會使這個恆星變形,從一個圓球體變成足球狀的物體,最終恆星最靠近黑洞的部分和後面部分的引力將會大到恆星不能保持自身為一個整體。它將被黑洞的引力撕碎,恆星的大部分質量將進入黑洞的吸積盤周圍。

如果這個黑洞的質量超過一百萬個太陽的質量,黑洞的潮汐引力即使很微弱經過的恆星也會在不被撕碎的情況下被捕獲到事件視界。恆星基本上被整個完全吃掉了,在恆星進入黑洞前恆星上的物質不會產生任何引人注目的輻射光線。下圖是這樣過程的藝術視角。

如果有東西掉到了黑洞的裡面,那麼會發生什麼?

一旦在黑洞裡面,越過了事件視界,我們只能猜測懷疑被捕獲的物質的命運。相對論告訴我們有兩種類型的黑洞,一種是不旋轉的,另一種是旋轉的。每一種類型在事件視界裡都有不同的剖析結構。對於不旋轉的希瓦茲凱爾德黑洞,物質無法避免和奇點的碰撞。根據隨著物質移動的時鐘記錄的時間,在一個恆星級的黑洞物質只要幾微秒就到達奇點了,在一個超大質量的黑洞則需要幾小時。我們無法預測在奇點發生了什麼,因為相對論說我們到達了一個重力無限大的狀況下。對於旋轉的可爾黑洞,內部結構就更復雜了,對於一些新進軌道的物質,原則上可以避免與奇點碰撞,並且有可能從黑洞裡再次出現在其他地方,或者在進去時的幾千年或幾十億年後的不同將來出現。

如果有東西掉到了黑洞的裡面,那麼會發生什麼?

一些外國理論你會完全地再出現在任何宇宙角落,但是物理學家認為那些解釋不準確。問題是對於真實物理事件創造的黑洞,黑洞內部充斥著使時空的幾何結構不穩定的重力輻射,阻止了這種旅行。對於最簡單不旋轉的希瓦茲凱爾德黑洞,所提供的也是難以想象的景象。數學家說在事件視界外面,一個粒子通常會經歷空間和時間。這個粒子(還有你)能自由地沿著半徑R座標在空間中旅行,但是無法控制沿著時間T座標的進程。你可以通過高速旅行的時間膨脹效應加快或減慢速度,但是不能夠倒退回去。在事件視界有一些奇妙的事發生。我們用來表示時間和空間的數學變量R和T,在定義的分離時空的點上反轉它們的滾動。

這意味著空間座標R表現地像時間座標,因此你不能夠自由地行動並且奇點在R=0處不會被壓扁。同時你能夠沿著T軸自由移動就想在事件視界外面慣用的座標。對於來自超新星的希瓦茲凱爾德黑洞,你有另一個問題。數學中的事件視界之處現在物質內破裂後的很長一段時間內。事實上,這就是數學家所說的時空坍縮的漸近特性。意味著如果你掉到一個超新星形成的黑洞裡,坍縮將繼續在某個遙遠的恆星表面嘗試著穿過視界的框架裡,但是這個過程至今沒有完成。你在跌落的過程中,恆星的質量仍然在視界外面而黑洞還在構建中!時間膨脹效應在視界是如此極端,導致從遙遠的觀察者的點看恆星就像沒有在動就成為了一個時間靜止的黑洞。

如果有東西掉到了黑洞的裡面,那麼會發生什麼?

從外面看,你要花很長時間才能真正到達地視界,但是如果從你的參照系看,只要一個小時甚至更少,這取決於你從哪裡開始!一旦你超過了視界裡面,到達奇點的時間近似於從視界距離自由落體的重力時間。對於一個變大質量的黑洞這要花幾個小時,但是一個太陽質量級別的黑洞只要約10微秒!

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. astronomycafe

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