时空弯曲与质量和密度的关系,如何理解致密天体极端引力?

  • 时空弯曲的日常表现是万有引力。

时空弯曲是质量对时空的扰动导致的,因此从本质上来说,时空弯曲取决于质量大小,质量越大导致的时空弯曲就越大。有一些科学家们采用一张绷紧的床单来演示时空弯曲的直观感受,他们将一些大小轻重不一样的球体,放在这张绷紧的床单上,显示出来的状态是质量越大的球,被压沉的坑就越深,附近质量小的球就有掉落质量大的球深坑中的趋势,这种趋势表现的就是万有引力。

当然,床单的演示并不能完全展示出时空弯曲的状态,因为床单只是平面的,质量对床单造成影响是重力导致的压力,只是自上而下的;而时空是无处不在包裹着一切的,因此质量对时空的影响是全方位的,形成时空漩涡或陷阱,也是全方位的,而且会以万有引力或引力波的方式被人类捕捉。

同等质量的物体,不管是黑洞,还是恒星,还是星际物质,对同等距离的时空弯曲影响都是一样的,这是因为质量对时空的影响遵循牛顿万有引力定律,表述为:F=GMm/r^2。这个公式里的F代表引力大小,G为引力常量,M和m表示相互作用的两个天体质量,r为引力相互作用的距离。

  • 密度对时空弯曲的影响主要表现在距离上。

一个球体如果密度大,这个球体体积就小,球体表面距离引力中心就近;反之,一个球体如果密度小,球体体积就大,因此球体表面距离引力中心就远。这样,根据牛顿万有引力定律,在密度大的天体表面,引力就会大很多,也就是导致的时空弯曲大很多。

我们用太阳来说明这个问题。太阳质量约1.989*10^30kg,半径约69.6万千米,因此太阳表面的引力(重力加速度)约为273.86m/s^2,逃逸速度约为617km/s;如果太阳变成一个黑洞,其史瓦西半径就只有2952米,这个球状空间半径表面就叫黑洞事件视界,在这个临界点重力加速度达到51123815028901734m/s^2,逃逸速度达到光速,也就是约300000km/s。

由此可见,在同样质量的太阳表面和黑洞表面,导致的时空弯曲程度是完全不一样的,在黑洞史瓦西半径临界点,时空曲率已经达到无穷大,任何非黑洞天体一旦靠近这个区域,都无法逃脱,连光也将被抓进去有去无回,因此我们无法看到黑洞实体,只能看到视界外吸积盘的光亮。

这种无穷大的时空曲率,就像一个深不见底的漩涡,将一切吞噬到那个深不可测的奇点里面。这就是所谓密度对时空弯曲的影响。

  • 不同密度天体表面引力不一样

密度越大的天体,表面引力越大。因为前面说了,同等质量天体,密度越大体积越小,距离引力核心就越近,导致的时空曲率或引力就趋于越极端。

在宇宙中,恒星死亡后会留下几种大密度尸骸,主要有白矮星、中子星、黑洞。白矮星密度在1~10吨/cm^3,质量约太阳0.5~1.4倍,体积约地球大小,也就是半径约7000km左右;中子星密度约1~10亿吨/cm^3,质量在太阳的1.44~3倍以下之间,半径约10km左右;现在发现的黑洞最小的都在太阳质量3倍以上,黑洞所有质量都集中在核心一个体积无限小的奇点上,因此密度无限大。

但黑洞会在奇点周围形成一个球形空间,理论上这个空间只会有物质路过,不会留存物质,但这个空间就是黑洞无限曲率影响范围,任何物体到达这个空间里,都会被拉拽到无底深渊中的那个奇点上。

这个空间就叫史瓦西半径,这个球状空间的半径大小与质量成正比,遵循史瓦西半径公式,表达为:R=2GM/C^2。公式里的R就是史瓦西半径值,G为引力常量,M为天体质量,C为光速。如果要把黑洞质量平均分摊到史瓦西半径这个球体积上,那黑洞的密度就是质量越小的黑洞密度越大,反之密度越小。

  • 天体食物链

所有天体中,表面曲率最大的是黑洞,因此表现出的引力无限大,逃逸速度达到光速;中子星表面引力也非常巨大,逃逸速度可达15万km/s;白矮星表面逃逸速度可达数千km/s。

在这样的极端环境下,恒星遇到白矮星,只有被其吞噬的命运,但白矮星吃得太饱就会撑破肚子,就是当白矮星质量达到钱德拉塞卡极限(约1.44倍太阳质量)时,就会发生la超新星爆发,最终可能坍缩成一个中子星。

而白矮星遇到中子星,就会被中子星吸积瓦解,最后中子星吃得太饱同样也撑破肚子,就是超过奥本海默极限(约3倍太阳质量),就会爆发坍缩成一个黑洞。

而黑洞是天体食物链的顶级老大,什么天体靠近它都逃脱不了被吞噬的命运。而且黑洞永远吃不饱,已知最大黑洞是编号为DSS J073739.96+384413.2的黑洞,质量已经达到太阳的1040亿倍,还在贪婪不停地吞噬着恒星和各种天体物质。

  • 时空弯曲影响最终还是与质量成正比

这些高密度天体无论如何极端,极端影响都是限定在一个范围内,距离远了,导致的时空曲率或者说引力就与其他所有天体一样了。因此,它们的时空弯曲影响大小,或者说引力影响大小,最终还是与质量成正比,与距离平方成反比的,质量越大引力越大,距离越远引力衰减得越快。

这就是太阳系、地球能够在布满黑洞、中子星、白矮星的银河系中生存至今的原因。迄今为止,发现距离太阳系最近的黑洞也有1000多光年,它对太阳系的影响就像普通恒星一样。

如果在太阳位置,换成与太阳质量一样的黑洞或中子星、白矮星,对我们地球的引力影响还是会和太阳一样大,地球照样还会这样公转。但不管是黑洞还是中子星、白矮星,都没有太阳这样强的光度和温度辐射到地球来,因此地球就会陷入黑暗极寒的境地,生物将无法避免被灭绝。

这就是根据科学常识得出的观点,各位读者有什么看法,欢迎讨论留言,谢谢阅读。

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