如果地球上有一个大小为1毫米的黑洞,会发生什么?

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如果地球上有一个大小为1毫米的黑洞,会发生什么?这个问题我们首先说下黑洞是什么,也就是人们对黑洞的定义,以及它如何形成的?

黑洞是什么?

黑洞是一个密度无限大,空间极度扭曲的天体,其中心位置的引力非常大,即使是宇宙中移动速度最快的粒子(光子)也无法逃脱引力束缚,因此被称为“黑洞”。我们对黑洞的定义就是如此简单。

1915年,德国物理学家和天文学家卡尔·史瓦西在爱因斯坦提出广义相对论的精确解后,得出了现代版本的黑洞。

史瓦西意识到质量有可能被压缩到一个无限小的点。这将使其周围的时空无限弯曲,以至于没有任何东西(甚至没有质量的光子)可以逃脱黑洞的空间曲率。在黑洞周围有一个视界面,视界面和无限密集的核心之间的距离(奇点),以史瓦西命名,称为史瓦西半径。

理论上,所有质量物体都有一个可以计算的史瓦西半径。如果把太阳的质量压缩到一个无限小的点上,就会形成一个半径不到3公里的黑洞。类似地,根据地球的质量,无限压缩地球我们就会得到一个史瓦西半径只有9毫米的黑洞,不到1cm,如果忽略其质量和引力,你完全可以把地球拿手上盘它!

黑洞是广义相对论的一个奇异解,几十年来一致饱受争议,最大的问题就是它是否存在,但随着中子星等其他极端天体的发现,以及天体物理学的发展,尤其是我们现在还获得了第一张黑洞照片,因此今天人们相信大多数星系的核心都有一个超大质量黑洞。但也有例外,有些矮星系中心并没有黑洞,依然运行完好,因此黑洞并不是整个星系的引力源,这跟我们熟知的太阳系不一样。

黑洞是如何形成的?

现在普遍认为,质量至少是太阳质量(8倍也有可能)10倍的恒星,一旦燃料耗尽,其核心就会发生极端的引力坍缩,产生Ⅱ型超新星爆发。在一个有限的空间中,巨大的质量会克服原子之间的简并压力,一路坍缩成一颗黑洞。

这时现代典型天体黑洞形成的过程,而另一种微型黑洞已经被提出,但从未被观测到。这些微型黑洞被认为是早期宇宙在真空暴涨时期由高密度区域坍缩形成的,它们被称为原始黑洞,质量很小,有些甚至接近地球的质量,和地球的史瓦西半径差不多。

如果地球上有一个大小为1毫米的黑洞,会发生什么?

首先我们并不会被黑洞直接吃掉,反而这是一个比较缓慢的过程。人们对黑洞的普遍误解是,它们是宇宙中的真空吸尘器,吞噬着周围的一切。但现在的观点认为它们不是哪种铁公鸡,只吃不吐,也就是说黑洞的胃口并不大。它们吃多了也会往外吐,这就是我们常说的黑洞物质喷流,其破坏性极大。现在让我们做一些计算。

如果地球是黑洞,则其半径为9毫米。这意味着1毫米的黑洞的质量约为地球质量的10%。这意味着微型黑洞吞噬物质不成问题。

假设黑洞出现在地球表面,它的影响范围大约是地球半径的三分之一。该区域的所有物质都能感受到来自黑洞的强大引力。此外,如果黑洞以小于12公里/秒的相对速度出现在地球表面,那么它将环绕地球运行。这意味着地壳和大部分地幔将会被引力破坏,地球表面的所有生物也将死亡。

地球质量的很大一部分会被黑洞吸引,并且在黑洞周围形成一个吸积盘。吸积盘的高速旋转会产生大量的热量,这些热量会以高能射线辐射出去。辐射也会产生压力,压力会限制黑洞的进一步的吸积。这两种效应会在所谓的爱丁顿光度上达到平衡。吸积盘形成的光度大约是太阳光度的0.5% !或者,在地球附近每秒钟大约有1000万颗沙皇炸弹爆炸(人类有史以来最大的爆炸)!黑洞附近的温度将达到惊人的10亿开尔文。这意味着辐射主要是伽马射线和x射线。

因此地球会被慢慢吞噬,然后分解成基本粒子喷射出去。这就是一颗微型黑洞靠近地球的结果。

这个问题有趣的地方在于,这种类型的黑洞并非完全不存在。虽然它们不可能在现在的宇宙中形成,但在大爆炸之后不久的早期宇宙,密度过高的区域可能会产生许多这样的“原始黑洞”。这种原始黑洞的允许质量在10^14到10^24公斤之间。由于霍金辐射,质量较小的黑洞会蒸发,质量稍大一点的黑洞我们可能探测不到。事实上,原始黑洞可能是暗物质的候选者之一。因此1毫米黑洞符合允许的质量上限,它们可能会存在于现在的宇宙中。

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