太阳会变成黑洞吗?

撰文 | 阿辉大个
首先宣布答案:不会。
太阳是一种恒星,恒星有点像有生命的个体,也会有从出生,壮年到死亡的演化历程。恒星肯定会“死亡”,但“死亡”的状态不一定是黑洞。至于太阳会不会变成黑洞,要从一些基本概念讲起。
一、什么是黑洞
1795年,有一位名叫拉普拉斯的老师根据万有引力定律指出,一个质量为M的天体,如果其半径小于,它的逃逸速度将超过光速,即使光也无法从这个天体上逃逸出来。拉皮拉斯称呼此类天体为“暗星”,因为既然光都无法逃脱,那么必然看不见。不过这种“暗星”模型在当时看起来十分荒诞,拉普拉斯本人遂未对其展开深入的研究。
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拉普拉斯
直到一百多年后的1915年,伟大的物理学家爱因斯坦创立了广义相对论,对经典万有引力作出新的解释,并给出了著名的爱因斯坦场方程:
这是一个复杂的张量方程,它的解连爱因斯坦本人也一筹莫展。令人意想不到的是,仅仅几个月后,在一战前线的战壕中,一名德国炮兵中尉给出了这个方程的精确解,这个炮兵中尉名叫史瓦西,他在参军之前就已经是德国科学院院士。这个精确解遂称为史瓦西解,它描述了一个静止,不带电,球对称的天体外部的引力场。令人惊异的是,史瓦西解表明,当天体的临界半径小于(和拉普拉斯的计算结果完全一样)时,它的时空几何将出现奇异行为,天体将会发生坍缩,周围的物质及射线都将被吸入这个天体的中心无法逃脱。这种神奇的天体,后来被命名为“黑洞”
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史瓦西
简单来说,黑洞就是一种引力极大,密度极大,能吞噬周围(事件视界以内)一切物质包括光在内的特殊天体。
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人类第一张黑洞合成照片
二、恒星的生命周期
那么黑洞这个“宇宙怪兽”是如何形成的呢?我们需要在恒星的生命周期中寻找答案。
恒星的诞生始于星云。星云是一种宇宙中由稀薄的气体或尘埃构成的天体。不同于天上主要由水(包含氢和氧)构成的白云,星云的主要成份是氢,其次是氦。虽然星云的密度很低,但由于面积分布实在是太大了(100光年),因此其总体质量是非常惊人的,一个普通星云的质量是太阳质量的上千倍。
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星云不是漫威中的超级英雄,是真正的星云
宇宙中的星云,当质量或密度达到一定的程度,在一定的条件下(如星系碰撞造成的压缩和扰动)会发生引力坍缩,在万有引力的作用下,星云中原本相距较远的物质会越来越紧密地聚集在一起,星云中心的质量和密度变大,从而使万有引力变大,进一步吸引周围的物质,进行正反馈。由于角动量守恒和潮汐作用,星云会旋转,并且越转越快。物质的聚集和旋转也会使温度快速升高,这个高温旋转的气体,就是原恒星。
原恒星会演化成什么结果,主要取决于它自身的质量。对于恒星这种超超超…超大的物体,用千克,吨等单位衡量质量就显得非常不方便了,习惯上用我们最熟悉的恒星——太阳作为质量单位,来度量天体的质量。
如果恒星质量太小,小于0.08倍太阳质量。要要么发生氢的聚变形成不了恒星,要么核心处发生氘核聚变形成棕矮星(或者褐矮星)。
如果恒星的质量介于0.08倍太阳质量和0.5倍太阳质量之间,这种恒星就是红矮星,比邻星就是一种红矮星。
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比邻星不是漫威反派暗夜比邻星,是真正的比邻星
紧接着,如果恒星的质量介于0.5倍太阳质量和8倍太阳质量之间,这类恒星发出黄光或白光,因此被称为黄矮星。太阳就是一种黄矮星。最后,质量超过8倍太阳质量的恒星被称为蓝恒星。
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蓝恒星
以上是根据质量差异分出的恒星种类,同时也是由于质量不同,它们的寿命也不尽相同,一般来说,质量大的恒星寿命短,质量小的恒星寿命长。一般的,质量大于0.1倍太阳质量的原恒星,其核心引力坍缩导致温度高达上千万度,会引发核聚变,聚变会释放大量的能量并向外辐射,当辐射斥力与引力平衡,恒星就能稳定存在,从而开启了主序星阶段的演化。
三、太阳的归宿
因为恒星总是不断地向外释放能量,它自身的能源总会有耗尽的那一天。主序星阶段占恒星生命历程90%的时间。科学研究表明,太阳诞生于45.7亿年前,而它的主序星大约100亿年,可见太阳目前正值壮年。根据质能关系,质量和能量是统一的物理量。太阳在不断向外释放能量,其质量也在不断减少,引力对聚变的控制越来越弱,聚变也因此变得越来越强烈。当太阳到达晚年之时,其核心聚变得太厉害,因此体积会膨胀,变成一个大红胖子,也就是红巨星。红巨星大到吞噬地球轨道,届时地球将不复存在(被烧化)。这就是电影《流浪地球》的背景设定。
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红巨星持续的时间不会很长,因为随着太阳体积的不断增大,其中心的密度和温度在降低,聚变会减弱,直到某一时刻,引力又会重占上风,外围的物质发生脱落向宇宙空间抛洒,内部的物质会发生收缩使核心部分越来越紧密,最终,留下的这团密度极大的核心,就是太阳的主序星阶段的最终状态——白矮星。白矮星的密度大约是太阳目前质量下,体积压缩到地球大小的密度!白矮星主要依靠电子兼并压(基于泡利不相容原理)来平衡极其强大的引力,它之所以“白”,是因为它还有具有此前积累的能量,尚且能平缓地释放残余的光和热,直到能量完全枯竭,星体也就此暗淡,变成看不见的黑矮星。黑矮星目前还未被观测到,可能是因为白矮星演化到黑矮星的时间长达几千亿年,超过了已知的宇宙年龄。
因此,答案就很明确了,太阳的不会变成黑洞,它的最终归宿应该是黑矮星。
四、黑洞的形成
那么问题来了,既然太阳不会变成黑洞,那么哪类恒星可能会变成黑洞呢?答案就是质量最大的一类恒星——蓝恒星。蓝恒星也会像太阳那样在晚年的时候变大变红,变成一颗红超巨星。和红巨星一样,红超巨星向周围激烈抛出外围物质(超新星爆发)后,其中心会收缩。与红巨星不同的是,红超巨星核心质量更大,引力更强,导致电子简并压也不足以抵抗引力,电子会钻进质子内部,变成中子。整个星体全部由中子构成,称为中子星。中子星的密度远大于白矮星,每立方厘米重达上亿吨!
中子星如果再坍缩,会变成什么呢?大多数人认为应该就是黑洞了。而红巨星或红超巨星抛出的物质会形成星云,星云又会在一定的契机下形成新的恒星。恒星的演化是不是很像人类的生老病死呢?至于太阳变成红巨星之时人类的命运,不用担心,我们还有50多亿年来思考怎么办。
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恒星演化图
五、假如太阳变成黑洞会发生什么?
首先明确,地球不会被吸进去!因为太阳的视界半径大约为3千米,而地球相距太阳有1.5亿千米。即便太阳变成黑洞,只要质量不变,地球受到的引力场没有任何变化。
那么地球会有变化呢?首先是光。太阳变成黑洞再经过8分钟,地球会失去太阳光照,如同夜幕瞬间降临。然后是温度,由于失去了太阳供给能量,地球温度会在短时间内骤降,这会对地球生态和人类社会造成毁灭性的打击。最终,地球会变成一个温度只有3K(宇宙平均温度),一片死寂的世界。
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一片死寂的地球
我们常说,水是生命之源。但物理学大师薛定谔在《生命是什么》中敏锐地指出,生命以负熵为生。其实,我国先贤老子的哲学论述:“天之道损有余而补不足;人之道,损不足以奉有余”,这句话就比较恰当地描述了人类社会的负熵的现象。自然界的规律是熵不断增加,越来越混乱,越来越平均。而生命却是一个高度有序的集合体,会通过进食、光合作用等方式持续在外部获得能量(负熵流),来维持内部的有序性,内部外部的总熵依旧是增加的。人类社会亦然,只要经济社会有序发展到一定程度,财富就会向少数人集中(低熵),而不是越来越平均(高熵),同样,经济和社会发展,离不开能源(负熵流)。而太阳就是这样一个给我们源源不断提供负熵流的能源池。因此可以说,是太阳孕育了万物,给予我们生命。好在它尚未年老,还可养育我们很久很久……
参考资料:
1、https://www.bilibili.com/video/BV1Gt411D7tB
2、https://zhuanlan.zhihu.com/p/57449767
部分图片来自网络