黑洞撞击地球时会发生什么?

新浪科技 2022/2/25 10:46:50 责编:潇公子

如果地球不幸撞上黑洞,或者仅仅是与黑洞靠得太近,都将会迎来不可挽回的毁灭。这是一个极其不可能发生的情况,但在宇宙的天文学时间尺度下,任何情况都有可能发生。

如果地球不幸撞上黑洞,或者仅仅是与黑洞靠得太近,都将会迎来不可挽回的毁灭。这是一个极其不可能发生的情况,但在宇宙的天文学时间尺度下,任何情况都有可能发生。

什么?黑洞撞击地球?发生这种事情的可能性很渺茫,但后果却是毁灭性的。那么,如果黑洞真的撞向地球,会发生什么呢?我们又应当如何避免这种情况的发生?

在宇宙的某个地方,潜在的末日灾难可能正等待着我们。虽然夜空中的恒星看起来都固定不变,就如我们的太阳一样,但它们其实都同样受到引力的支配,使我们保持在围绕银河系中心的轨道上。每一个恒星系统都相对太阳在运动,并且周期性地 —— 大约每百万年有若干次 —— 会有某个天体危险地靠近太阳系。当这种情况发生时,在太阳系边缘的奥尔特云中,一些天体可能就会受到扰动,导致一大波彗星的出现。

7万年前,一个名为舒尔茨星的联星系统穿过了太阳系的奥尔特云,该系统正处在其核心氢聚变点燃的边缘。然而,与图中不同的是,当时它并不可能被人类的肉眼看到。如今,舒尔茨星距离地球约20光年。据目前所知,没有任何黑洞比它更靠近地球。

7 万年前,一个名为舒尔茨星的联星系统穿过了太阳系的奥尔特云,该系统正处在其核心氢聚变点燃的边缘。然而,与图中不同的是,当时它并不可能被人类的肉眼看到。如今,舒尔茨星距离地球约 20 光年。据目前所知,没有任何黑洞比它更靠近地球。

这是最可能出现的情况,但更糟糕的结果也可能随之而来。恒星可能会穿过太阳系,影响各大行星的轨道。其他天体,如黑洞、中子星、白矮星和流浪行星等,也可能出现同样的情况,像玩宇宙台球游戏一样撞击周围的物体。在最坏的情况下,我们甚至可以想象一个黑洞撞击地球的场景。在任何时候,这种事情发生的几率可能都极其渺茫,但在天文学的时间尺度下,宇宙有无数的机会制造这样的灾难。

银河系及其周围天空中恒星密度的示意图,可以明显看到银河系和大、小麦哲伦星云。更细看的话,还可以看到球状星团杜鹃座47(NGC 104)位于小麦哲伦星云左侧,武仙座球状星团(NGC 6205)位于银河系核心左侧略偏上的位置,略偏下的则是NGC 7078。总的来说,银河系在其圆盘范围内包含了大约2000至4000亿颗恒星。

银河系及其周围天空中恒星密度的示意图,可以明显看到银河系和大、小麦哲伦星云。更细看的话,还可以看到球状星团杜鹃座 47(NGC 104)位于小麦哲伦星云左侧,武仙座球状星团(NGC 6205)位于银河系核心左侧略偏上的位置,略偏下的则是 NGC 7078。总的来说,银河系在其圆盘范围内包含了大约 2000 至 4000 亿颗恒星。

地球被黑洞撞上的几率有多大?

让我们先从一些乐观的事情开始:尽管宇宙中存在大量的黑洞,包括我们所处的银河系中心也存在一个超大质量黑洞,但黑洞撞击地球的几率是非常小的。据估计,银河系中约有 4000 亿颗恒星,尽管单个恒星本身的体积很大,但与之相比,恒星之间的距离更加巨大,甚至与恒星系统的大小相比也是如此。

像太阳这样的恒星,其直径约为 140 万公里,而地球绕太阳公转的距离约为 1.5 亿公里(这一距离被定义为一个天文单位,简称 A.U。),约为太阳直径的 100 倍。在海王星轨道之外的柯伊伯带,距离太阳约 40 至 50 个天文单位;至于奥尔特云,又比柯伊伯带更加遥远,距离太阳最远至 10 万天文单位(约 2 光年)。

这张图显示了银河系中的恒星可能经过太阳一定距离内的概率。这是一个双对数坐标图,y轴是距离,x轴是事件发生所需的时间。

这张图显示了银河系中的恒星可能经过太阳一定距离内的概率。这是一个双对数坐标图,y 轴是距离,x 轴是事件发生所需的时间。

相比之下,我们与最近的恒星比邻星的距离略大于 4.2 光年。光年是用来描述恒星之间距离的常用单位。利用欧洲空间局的盖亚(Gaia)空间望远镜,天文学家对银河系中恒星的数量及其在银河系中的分布情况有了相当详细的了解,我们也由此得知了许多关于邻近宇宙的奇妙事实,例如:

(1)邻近宇宙中的恒星相对于我们的运动速度通常为 20 千米 / 秒,约为我们绕银河系中心运行速度的 10%;

(2)在我们与银河系中心的距离上,几乎所有的恒星都以椭圆轨道运行,而且这些椭圆轨道非常接近圆形;

(3)此外,几乎所有的恒星都在离我们较远的星系盘上运行;在中央凸出部分或较大的球状银晕中,却很少有恒星;

(4)这些恒星中,有大约一半属于多恒星系统,另一半则与我们的太阳系类似:只存在一颗孤零零的恒星。

大质量恒星整个生命周期的示意图。最终在核心的核燃料耗尽时,会形成II型超新星。核聚变的最后阶段是典型的硅燃烧,在超新星爆发前的短暂时间内,核内会产生铁和类铁元素。如果恒星的内核质量足够大,内核坍缩时就会产生黑洞。

大质量恒星整个生命周期的示意图。最终在核心的核燃料耗尽时,会形成 II 型超新星。核聚变的最后阶段是典型的硅燃烧,在超新星爆发前的短暂时间内,核内会产生铁和类铁元素。如果恒星的内核质量足够大,内核坍缩时就会产生黑洞。

做一下数学计算,我们就能得出一颗恒星到达太阳一定距离内的平均时间。结果很有趣,但并不可怕。我们的太阳系已经存在了大约 45 亿年,每隔几十万年,就会有一颗足以影响奥尔特云的恒星靠近太阳系。最近一颗这样的恒星是舒尔茨星,在大约 7 万年前近距离掠过太阳系,穿过了奥尔特云。

然而,任何恒星都不太可能靠近到足以使太阳系中其他大型天体偏离轨道的程度。在地球存在的整个历史中,我们与另一颗恒星最接近的距离预计大约是 500 天文单位,或者说相当于太阳到冥王星距离的 10 倍。对于整个太阳系的历史,则

(1)出现一颗足以扰动柯伊伯带的恒星的几率约为 1%;

(2)出现一颗足以扰动木星或土星的恒星的几率约为 0.01%;

(3)出现一颗足够靠近地球,能对地球产生引力干扰的恒星的几率约为 0.0001%,即百万分之一;

(4)出现一颗与地球发生碰撞的恒星的几率只有 0.000001%,即 1 亿分之一。

黑洞的质量范围,包括通过引力波探测到的合并事件(蓝色)和X射线观测(洋红色)所获得的结果。绝大多数黑洞都处于20倍太阳质量以上的范围,但在低于5倍太阳质量的区间,黑洞的数量就很少。

黑洞的质量范围,包括通过引力波探测到的合并事件(蓝色)和 X 射线观测(洋红色)所获得的结果。绝大多数黑洞都处于 20 倍太阳质量以上的范围,但在低于 5 倍太阳质量的区间,黑洞的数量就很少。

考虑到太阳系中的行星,以及柯伊伯带似乎从诞生之初 —— 约 45 亿年前 —— 到现在都没有受到这样的扰动,这些概率值似乎还算可信。对地球最大的威胁来自一颗路过的恒星,它穿过了奥尔特云,受到扰动的彗星 —— 潜在的行星杀手 —— 估计需要 200 万年时间才会进入内太阳系。不过,几乎可以肯定的是,在遥远的未来,银河系中天体的“引力之舞”最终将导致恒星系统中大多数行星被抛射出去。

这张潮汐破坏事件(tidal disruption event,简称TDE)的示意图显示了一个巨大天体的命运,由于太接近一个黑洞,它在一维空间中被拉伸和压缩,进而被撕碎,其物质被加速,然后被交替吞噬和喷射出来。

这张潮汐破坏事件(tidal disruption event,简称 TDE)的示意图显示了一个巨大天体的命运,由于太接近一个黑洞,它在一维空间中被拉伸和压缩,进而被撕碎,其物质被加速,然后被交替吞噬和喷射出来。

那么,黑洞呢?

必须强调的一点是,所有关于恒星的讨论并不只是为了好玩,而是在为我们讨论黑洞奠定必要的基础。当然,黑洞很难被探测到,因为它们不会发光,但它们背后的物理原理以及它们在星系中的运动规律和恒星是一样的。原因很简单:宇宙中,尤其是银河系中我们所在的部分,几乎每一个黑洞都是诞生于一颗原本已经存在的恒星。

当然,确实存在一些超大质量黑洞,但它们大多只存在于星系的中心,距离我们有几万光年远。另一方面,对于原始黑洞,目前还没有任何相关的观测证据。也许原始黑洞的数量更多,质量更小,但在理论上有一些严重的问题阻碍了它们的存在。

在一个黑洞与地球相撞的过程中,我们不会从黑洞本身得到任何预警信号,但它会扭曲来自背景天体的光,进而向我们揭示它的存在。

在一个黑洞与地球相撞的过程中,我们不会从黑洞本身得到任何预警信号,但它会扭曲来自背景天体的光,进而向我们揭示它的存在。

因此,宇宙中两种最常见的黑洞形成方式便是,要么有一颗足够巨大的恒星,其核心坍缩形成一个黑洞;要么由两颗中子星碰撞、合并,达到某些质量阈值,进而形成一个黑洞。

在理解了这一点之后,我们就可以估算出黑洞相对于恒星的数量。在所有曾经形成的恒星中,大约 0.12% 的恒星,或者说大约 800 颗恒星中,会有一颗质量足够大的恒星,当它结束生命周期时,将产生一个恒星质量黑洞:质量大于 3 倍太阳质量,但至多不超过几百倍太阳质量。有些人认为,中子星的合并 —— 已被激光干涉引力波探测器如 LIGO 和 Virgo 探测到 —— 可能也会产生与大质量恒星同样多的黑洞,尽管处于较低的质量范围。

这意味着,以最乐观的情况估计,现在有大约 10 亿个黑洞在银河系中运行,相比之下,恒星的数量约为 4000 亿颗。这是一个令人难以置信的黑洞数量,但即使是在天文学的时间尺度下,地球与黑洞相互作用的几率仍然是极低的。事实上,如果我们只考虑一个黑洞与地球碰撞的情况,概率是极小的:在地球历史中约为 400 亿分之一;相当于每年 10^20 分之一,与连续三次赢得乐透大奖的概率差不多。

当一个微引力透镜事件发生时,随着中间质量穿过或接近恒星的视线,来自背景恒星的光会被扭曲和放大。引力的作用使光和我们眼睛之间的空间发生了弯曲,从而产生一种特殊的信号,揭示行星、黑洞或其他大质量物体的质量和速度。

当一个微引力透镜事件发生时,随着中间质量穿过或接近恒星的视线,来自背景恒星的光会被扭曲和放大。引力的作用使光和我们眼睛之间的空间发生了弯曲,从而产生一种特殊的信号,揭示行星、黑洞或其他大质量物体的质量和速度。

碰撞并不是唯一的威胁

当然,黑洞并不需要与地球相撞才能构成威胁。如果距离地球足够近,黑洞就可以:

(1)通过引力作用破坏地球的轨道;

(2)把地球完全逐出太阳系;

(3)甚至会像拉扯意大利面条一样,通过潮汐力将地球彻底粉碎。

这些都是需要提防的情况,但幸运的是,黑洞必须足够接近才会引起这些问题。换句话说,黑洞必须离地球足够近,才能产生与太阳相当的引力。请记住,引力随着距离的平方而减小。即使一个黑洞的质量是太阳的 100 倍 —— 比银河系中 99% 的黑洞的质量还要大 —— 也要在距离地球 10 个天文单位的范围内,才能在引力方面与太阳媲美。这种情况的风险相对更高一些,因为在太阳系的历史上,这种情况发生的几率约为 4 亿分之一,是被黑洞直接撞击的几率的 100 倍。其他两种情况 —— 被抛射出去或“意大利面化”—— 的几率,介于这两个估计值之间。

我们能否知道危险的来临?

你可能会觉得,如果一颗恒星即将进入太阳系,给我们带来重大的宇宙“改造”,那至少我们会提前发现它的到来。但是,有没有办法得到黑洞即将到来的警告呢?

答案是肯定的。黑洞或许不会发光,但它们的引力无疑和任何质量相同的物体一样强大。此外,由于黑洞不会像恒星一样占据巨大的体积,而是坍缩成非常小的空间区域,隐藏在微小的事件视界之后,因此相对于我们的视角,黑洞会强烈地扭曲其背后物体所发出的光。这意味着我们可以有三种方法来探测离地球足够近的黑洞:

(1)黑洞可能会导致强烈的引力透镜效应,在这种效应下,同一视线附近的背景物体发出的光会以一种较易识别的方式弯曲、拉伸和扭曲;

(2)黑洞可能会导致较弱的引力透镜效应,在这种情况下,较远的背景物体的表面形状会以一种自然不会发生的方式扭曲;

(3)黑洞可能会导致微引力透镜效应,即经过的黑洞不会遮挡背景恒星,而是会放大其光线,并导致出现短暂但剧烈变亮的情况;可以说,即使是看不见的物体,这也是一个很明显的特征。

我们有什么办法自救吗?

在很大程度上,我们的存在本身就已经是宇宙中非常难得一见的奇迹。生命在地球上的诞生和繁荣,几乎可以算是中了宇宙的“头彩”。那么,如果我们发现一个黑洞正朝地球直冲而来,我们应该怎么做呢?尽管概率很低,但这在天文学上是可能的,考虑到银河系中有 4000 亿颗恒星,意味着在地球存在的历史中,有 4 亿分之一的概率会有一个黑洞闯入太阳系。

不幸的是,对于这种可能,唯一的选择将是放弃并离开地球。我们不能只移动地球,而是必须移动整个太阳系才能避开黑洞,而唯一能让太阳系进行这般移动的,只能是与另一个大质量物体的引力相互作用。换句话说,唯一能把我们从黑洞来袭中拯救出来的,就是我们一直在努力避免的情况:严重扰乱太阳系行星轨道的引力作用。如果黑洞真的要撞上地球,我们唯一明智的做法是要么放弃地球,要么听任自己与这颗拥有数十亿年生命历史的星球一起被黑洞吞噬。

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关键词:黑洞地球恒星

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