黑洞如何吞噬一个伴星

作者: 王善钦

来源: 科学世界

发布日期: 2021-10-17 18:30:00

本文详细解释了黑洞如何通过潮汐力撕碎并吞噬伴星的过程,包括引力导致物体变形的原理、潮汐瓦解事件的机制以及由此产生的特殊天文现象。

其实不仅仅是黑洞,太阳、木星甚至地球,在吞噬其他小天体时,也不是直接将它们整个吞进去,而是先撕碎再吞噬。这是由于小天体会因中心天体的引力而发生变形,当其与中心的天体的距离足够小的时候,便会被撕碎,然后再被吞噬。

为什么引力会使物体发生变形呢?这是因为物体本身并不是一个点,而是有形状的。为了简单起见,我们假设位于中心的大天体(如黑洞、太阳、地球)与小天体(如小行星)的形状都是圆球状。

通过经典力学很容易证明,天体对附近任何点的吸引力可以等价于一个点对附近的点的引力。也就是说,你可以假定天体就是一个质量很大的点。不过,由于我们要研究外面的小天体是否会变形,所以不能将其看作一个点,而只能将其看作由无数个点组成的物体。

这样,作为一个点的大天体,对小天体的每一个点的引力的大小与方向,都是不一样的。假设小天体的直径是100千米。

在进行受力分析时,大天体等效于一个点,那么,当小天体的中心与作为一个点的大天体的距离为200千米时,它最近的地方与大天体的距离只有150千米,最远的地方与大天体的距离却有250千米。因此这两个点受到的引力的方向虽然一样,但大小是不一样的,内侧受到的力大,外侧受到的力小,物体就被拉伸;然后再看小天体两侧的点,它受到大天体的引力的大小虽然一样,但方向不同,都斜着朝着中心,于是物体两侧受到挤压。

其他很多点的分析也是类似的。这样,物体就变扁长,成为鸭蛋形。

当然,大天体导致小天体变形的同时,小天体也会导致大天体变形。地球上的海水受到月球引力,变为鸭蛋形分布,就是这个原理。由于月球在绕着地球转,地球海水的最高处也随着月亮的转动而变动,产生潮汐。所以,这种力就被称为潮汐力。潮汐力不仅对液体起作用,对固体、气体也起作用。事实上,月球会导致地球表面的岩石产生微小的变形(固体潮),地球也会使月球表面的岩石变形。

随着距离越来越近,潮汐力的作用越来越大,小的物体变形到极限而被撕碎。这就是“潮汐瓦解”事件。能够使物体恰好被瓦解的距离,被称为“洛希极限”,以纪念首次计算出这个结果的天文学家洛希。假如两个天体密度相同,那么小天体的洛希极限是大天体半径的2.44倍,即小天体距大天体中心的距离小于等于大天体半径的2.44倍时,便会瓦解。密度不同时的情况略复杂一些。

简单地说,大天体密度与小天体密度的比值越大,洛希极限越大,物体就会在越远的距离被瓦解。

假如物体一开始就直接向着中心天体直线下落,碎片就会像一条柱子一样从天而降,砸落到中心天体。但假设物体一开始就相对中心天体有微弱的角速度,那么由于角动量守恒,当其被吸引到一定距离时,角速度就会变得非常大。于是瓦解后形成的物体碎片就会变成环绕中心天体的一个带甚至一个环,继续围绕中心天体转动。此时,如果附近的大气阻力较大,或者周围引力强度使轨道不稳定,碎片就会继续下落,陆续被中心天体吞噬。

当物体被黑洞俘获而绕其旋转时,原理类似:距离足够近时,物体先被瓦解为长条状,绕着黑洞旋转。黑洞周围虽然没有稠密大气,但在距离黑洞足够近的地方,轨道不稳定,物体一边绕着黑洞旋转,一边向下落。距离最近的部分先被吞噬进去,其余的部分跟着被吞噬进去,直到最后被全部吞干抹净。这就是黑洞的潮汐瓦解事件。

潮汐瓦解会产生特殊的天文现象。

黑洞“吃饱”后,有时候会“打嗝”,朝着其自转的两极方向发出喷流,有时会产生持续时间达到几千秒的伽马射线暴,这是伽马射线暴的来源之一。此外,一些潮汐瓦解事件发生后,会产生明亮的可见光,与超新星很相似。比如2015年发现的ASASSN-15lh,有些研究者认为它是有史以来最明亮的超新星,但有些研究却认为它是黑洞潮汐瓦解事件,至今还在争论之中。

假如物体被吸入黑洞时,是一下子被吞进去,就不会有这么精彩的天体物理现象了。当然,由于被吞噬的天体几乎总是有一定的角速度,因此很难会直直地撞向黑洞之类的中心天体。

太阳系中也有过类似的潮汐瓦解事件,比如1994年苏梅克-列维9号彗星与木星的撞击。这个彗星在经过木星附近时就已经进入洛希极限之内,因此被木星的巨大引力俘获并撕碎,碎片拉开的距离超过16万千米。从1994年7月17日4时15分开始到7月22日8时12分,20多块碎片先后撞击到木星,即被木星吞噬。

此外,一些天文学家们认为,土星环的主体部分也曾是一个完整的天体,因为进入了土星的洛希极限,而被潮汐力撕碎为美丽的环。有研究认为,火卫一在数千万年之后,也会被火星的潮汐力扯碎而变成火星环。

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