宇宙中最大质量恒星引力有多大,可以拉住自己发出的光吗?

光速为宇宙最高速度,但会与引力发生作用。

引力是什么?爱因斯坦告诉我们是时空弯曲,是物体质量的基本属性。意思就是,凡有质量的物体,都会对自己周边时空产生扰动,这种扰动就是会弯曲周边的时空,产生类似漩涡或者陷阱的场,这种场导致物体相互靠拢和掉进对方陷阱的趋势,表现出来的现象就是相互吸引的引力。

物体质量很小时,这种扰动和弯曲很小,在我们平常生活中很难感受出来。我们在地球上,除了地球引力可以吸引住地表一切,其他所有物体,比如一栋大厦、一座山,我们都感受不到它的引力。当物体质量大到一个星球级,这种时空扰动和弯曲就无法忽视了,其表现出的引力就会吸引住慢速的东西。

当引力足够大时,快速的东西也会受影响。比如光在经过太阳时,也会被太阳巨大的引力拉弯,这种现象在1919年发生全日食时,就被英国专门组织的远征队观测所证实,得到太阳边缘处星光偏折1.66″±0.18″的结论,与爱因斯坦测算基本吻合。

由此,爱因斯坦广义相对论风靡世界科学界。

摆脱引力的唯一途径就是速度。

时空弯曲形象比喻有点像我们生活中看到水中或者台风形成的漩涡,足够快速度的船或飞行物,就能够逃脱漩涡。其实要逃脱时空陷阱或漩涡的方法也只有一样,就是速度,只有速度足够快,就能够逃脱引力的控制。

那么速度要多快才能够摆脱引力呢?这就需要根据引力定律来推算了。

引力定律是牛顿在1687年发表的《自然哲学的数学原理》一书中创立的,简单表述为:F=GMm/r^2。公式中F表示引力大小值,G为引力常量,M和m为引力作用双方两个大小物体质量,r为两个物体质点之间的距离。

引力常量是两个1公斤的球体,质心相距1米距离的引力值,约等于6.67x10^-11N·m^2/kg^2。

从这个公式我们可以看出,引力大小是与质量成正比的,与物体之间距离平方成反比的。根据这个定律,可以推算出逃离引力的速度,这就是逃逸速度,公式表述为:v=√(2GM/R)。

这里,v为逃逸速度,G为引力常量,M为天体质量,R为天体半径。这个逃逸速度是指在天体表面上的逃逸速度,距离天体越远,所需逃逸速度则越小。

根据公式我们可以计算出在地球表面,逃逸速度为11.2km/s,太阳表面逃逸速度为617.7km/s。

最大的恒星引力能够拉住光线吗?

从上面逃逸速度来看,质量越大的天体,逃逸速度就需要越大。真空光速为299792.458km/s,有什么样的天体需要这样大的逃逸速度呢?如果需要这么大的逃逸速度,光线才能够被拉住。但一般恒星的逃逸速度距离光速还是太远了,比如太阳,表面逃逸速度才617.7km/s,只是光速的1/485,因此光线飘过太阳时没有半点停顿,只是稍稍弯曲了一点点。

那么更大质量的恒星能够抓住光吗?我们来看看迄今发现最大质量恒星r136a1的逃逸速度是多少。r136a1是坐落在大麦哲伦星系蜘蛛星云中的一颗恒星,距离我们16万多光年,其质量约太阳的265~315倍,半径约太阳的28.8~35.4倍。

现在我们按照300倍太阳质量,半径30倍太阳这个参数,代入逃逸速度公式,来计算一下r136a1恒星的表面逃逸速度需要多大。

太阳质量为1.9891x10^30kg,半径为696000km;300倍太阳质量为5.9673x10^32kg,30倍太阳半径为20880000km,代入公式计算:

v=√{[2x(6.67x10^-11)x(5.9673x10^32)]/20880000000}≈1952547m

由此算出r136a1表面逃逸速度为1952.547公里,与光速完全不在一个档次上,因此光线经过宇宙中最大的恒星,也还是只会弯曲一点点。要知道全宇宙的所有光都具有光速不变,光速恒定的性质,这样,r136a1当然也就拉扯不住自身发出的光线了。

人都是依靠光来感知世界的,没有光就什么也看不到。正因为恒星根本吸引不住自身光线,才是我们能够看到所有恒星的原因。

那么有没有能够锁住光线的天体呢?

当然有,那就是黑洞。但要拉住光线也是有条件的,就是在黑洞的史瓦西半径以内。黑洞不让一丝光离开自己,因此人们看到的就是一个黑咕隆咚什么都没有的洞。有人会问,有些黑洞还没有恒星质量大,为什么引力会那么大呢?

这是因为黑洞体积非常小,这才是问题的实质。而同等质量的物体比较,黑洞成了最小的那一个。黑洞的这种性质完全诠释了引力定律的精髓,即引力大小与质量成正比,与距离成反比。这里最需要理解的就是“距离”,因为引力大小是与距离平方呈衰减趋势的,因此靠近质点越近,引力就会变得也极端。

而白矮星、中子星、黑洞这些极端天体,正是天体表面距离质心越来越近的天体,就一个比一个引力更极端。比如中子星,一个约太阳质量3倍的中子星,其半径只有15km左右,只是太阳半径的46400分之一。也就是说这个中子星表面距离质心只有15km,这样其引力就成平方指数增强。我们来计算一下这个中子星表面逃逸速度:

v=√{[2x(6.67x10^-11)x(5.9673x10^30)]/15000}≈230367506m

我们可以看出,太阳质量三倍的中子星,如果缩小到15km半径,其表面逃逸速度就需要23万km/s,已经快要到达光速了。

黑洞的表面就是史瓦西半径临界面。

根据奥本海默极限理论,当中子星质量到达太阳3倍左右时,中子简并压就无力支撑本体巨大的引力收缩压而进一步塌陷了,最终会坍缩成一个黑洞。任何物体坍缩到自己质量的史瓦西半径内,所有物质就会无限坠落到中心那个无限小的奇点上,这就是黑洞。

史瓦西半径是任何物体的质量临界半径,是围绕在奇点周围形成的一个球形空间,这个半径大小与质量成正比。在这个半径球形空间里,中心奇点具有无限曲率,也就是导致的时空陷阱或者说漩涡会无限弯曲,表现出无穷的引力。因此在这个范围,任何物质都无法逃脱,只会无限坠落,即便这个物体达到光速,也就是说光也无法逃逸。

这个史瓦西半径有多大呢?计算公式为:R=2GM/C^2

公式里,R为史瓦西半径值,G为引力常量,M为天体质量,C为光速。

根据公式计算,地球史瓦西半径约9毫米;太阳史瓦西半径约3000米,而1个3倍太阳质量的黑洞,史瓦西半径约9千米。

不管什么天体,只要质相等,理论上引力都是一样大的。

黑洞的引力并不违背引力定律原则,同等质量的黑洞与同等质量的恒星,引力理论上是一样大的。问题是黑洞的史瓦西半径太小了,已经靠近了质量核心了。如果太阳成为黑洞,在距离其核心3000米的地方逃逸速度达到光速;但太阳表面距离核心有69.6万千米,当然引力就衰减得很大了,逃逸速度就只有光速的1/485了。

因此如果一个太阳大的黑洞,在我们地球轨道距离太阳1.5亿公里位置,与太阳引力是一样一样的。

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