麵條化

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正在落入黑洞的太空人(意麵效應示意圖)
非均勻重力場作用在球形物體上的潮汐力。重力源在圖的右側,較長的箭頭表示較大的力(相對於此球質心)

天文物理學中,麵條化,亦稱義大利麵化義大利麵效應(英語:Spaghettification[1],指物體在強大的非均勻重力場中,受到垂直方向拉伸與水平方向壓縮而變得細長(形狀像義大利直麵)。造成物體義大利麵化的重力場,通常是由強大的潮汐力所引起。在黑洞附近,任何成分組成的物質,都無法抵抗重力場造成的形變。小範圍內,強大的垂直拉伸與水平壓縮效應可以互相平衡,因此被義大利麵化的小型物體,不會改變其體積。

史蒂芬·霍金[2]曾描述一個假想的太空旅行:一位太空人穿過黑洞的事件視界,並被頭頂和腳尖之間強大的重力梯度「像義大利直麵一樣拉長」。此現象是由於黑洞奇點施予身體一端的引力遠大於身體的另一端。舉例來說,若一個人的腳先進入黑洞,則腳受到的重力會遠大於頭受到的重力,人因此在垂直方向上被拉伸。同時,此人左側受水平方向力向右,右側反之,導致身體在水平方向上被擠壓。[3]事實上,「義大利麵化」一詞在這之前就已經被提出。[4]

恆星的義大利麵化現象,在2018年首度透過觀測距地球1億5000萬光年外的一對交互作用星系被拍攝到。[5]

例子[编辑]

四個排列向行星落下的物體,受到意麵效應的過程

在右邊的例子中,四個互相獨立的物體,在行星外排成菱形,並向著行星的重力電磁場的方向[6],也就是指向天體中心方向,進行加速運動。按照平方反比定律,四個物體中離行星中心最近者,將受到最大的重力加速度,四個物體排列的形狀因而被拉伸。

這四個物體可以視為一個較大物體的四個相連部分。如果是剛體,它受屈時產生的彈力將會抵抗潮汐力,而達到力平衡。但若潮汐力較大,這個物體在達到力平衡前,仍然會受到一定程度的形變成為細絲帶狀,甚至直接斷裂成一條條碎片。

潮汐力強弱的舉例比較[编辑]

在由質點或球狀物體產生的重力場中,潮汐作用讓一個指向重力方向的棒狀物,產生往兩端的張力。數學表達式: F = μ l m/4r3,其中 μ為重力源物體的標準重力參數l為棒狀物長度,m為棒狀物質量,r為棒狀物中心到重力源中心的距離。對非均質棒狀物而言,若質量集中在靠近質心處,張力較小;反之張力較大。此外,潮汐力對此棒狀物的作用,也包含水平方向(從棒子兩側)向中心的壓縮。

對於大質量物體而言,張力在表面處最大,量值取決於此物體的性質,以及重力源大質量物體的密度(當此物體體積相對於重力源物體而言非常小時)。舉例來說,一根質量1 kg,長度1 m的棒子,受到一個密度與地球相仿的重力源作用,其潮汐力引起的張力只有0.4 μN。

白矮星有較大的密度,因此白矮星表面附近的潮汐力較大,可以讓上例提到的棒子,產生最大0.24 N的張力。中子星造成的潮汐力又比白矮星更大,可以讓棒子產生強達10,000 N的張力。假設這根棒子正直直朝2.1倍太陽質量的一顆中子星落下,在不考慮落下過程熔化的情況下,它在距中子星中心190 km時就會解體(中子星的半徑通常只有12 km)。[註 1]

上例中,下落的物體最終會被摧毀,但人在被潮汐力扯碎前,會先死於高溫。但在黑洞附近,情形有所不同。假設附近沒有其他物質,向黑洞落下的人,最終會死於潮汐力拉扯,因為黑洞不會散發輻射能。此外,由於黑洞缺乏固體表面,不能阻止物體落下,所以物體會持續不斷落下並且被拉成細如義大利麵的長條狀物。

事件視界大小的差異[编辑]

近距離描繪超大質量黑洞吞噬恆星的場景(藝術家想像圖)。[7]

黑洞潮汐力扯碎物體的臨界點位置,取決於黑洞的大小。對銀河中心超大質量黑洞而言,這個臨界點位於事件視界內,因此太空人可以在不感受到任何擠壓或拉扯的情況下進入事件視界,雖然這個狀態持續片刻之後,他將無可避免地不斷向黑洞中心落下而無法逃離[8];對於史瓦西半徑更接近引力奇點的小型黑洞而言,潮汐力則會在太空人進入事件視界前將其扯碎[9][10]。舉例來說,對於一個10倍太陽質量的黑洞而言[註 2],先前例子中的棒狀物體會在大約距黑洞中心320 km處瓦解,遠高於此黑洞的史瓦西半徑30 km;對於10,000倍太陽質量的超大質量黑洞而言,它會在距黑洞中心3,200 km處崩解,小於此黑洞的史瓦西半徑30,000 km。

註釋[编辑]

  1. ^ 一根8公尺長、8公斤重的棒子,會在4倍高的地方解體[來源請求]
  2. ^ 宇宙現階段能自然生成的最小黑洞,超過兩倍太陽質量[來源請求]

參考資料[编辑]

內文引用
  1. ^ Wheeler, J. Craig, Cosmic catastrophes: exploding stars, black holes, and mapping the universe 2nd, Cambridge University Press: 182, 2007 [2022-01-02], ISBN 978-0-521-85714-7, (原始内容存档于2022-01-02) 
  2. ^ Hawking, Stephen. A Brief History of Time. Bantam Dell Publishing Group. 1988: 256. ISBN 978-0-553-10953-5. 
  3. ^ Astronomy. OpenStax. 2016: 862. ISBN 978-1938168284. 
  4. ^ For example, Calder, Nigel. The Key to the Universe: A Report on the New Physics. Viking Press. 1977: 143. ISBN 978-0-67041270-9. , a companion to a one-off BBC TV documentary: The Key to the Universe.
  5. ^ Astronomers See Distant Eruption as Black Hole Destroys Star (新闻稿). National Radio Astronomy Observatory. Phys.org. 2018-06-14 [2018-06-15]. (原始内容存档于2022-07-15). 
  6. ^ Thorne, Kip S. Gravitomagnetism, Jets in Quasars, and the Stanford Gyroscope Experiment (PDF). Fairbank, J. D.; Deaver, Jr., B. S.; Everitt, C. F.; Micelson, P. F. (编). Near Zero: New Frontiers of Physics. New York: W. H. Freeman and Company英语W. H. Freeman and Company. 1988: 3, 4 (575, 576) [2022-01-02]. (原始内容存档 (PDF)于2022-01-03). From our electrodynamical experience we can infer immediately that any rotating spherical body (e.g., the sun or the earth) will be surrounded by a radial gravitoelectric (Newtonian) field g and a dipolar gravitomagnetic field H. The gravitoelectric monopole moment is the body's mass M; the gravitomagnetic dipole moment is its spin angular momentum S. 
  7. ^ Spinning Black Hole Swallowing Star Explains Superluminous Event - ESO telescopes help reinterpret brilliant explosion. www.eso.org. [15 December 2016]. (原始内容存档于2017-12-19). 
  8. ^ Hawley, John F.; Holcomb, Katherine A. Foundations of Modern Cosmology illustrated. Oxford University Press. 2005: 253 [2022-01-02]. ISBN 978-0-19-853096-1. (原始内容存档于2022-04-22).  Extract of page 253页面存档备份,存于互联网档案馆
  9. ^ Hobson, Michael Paul; Efstathiou, George; Lasenby, Anthony N. 11. Schwarzschild black holes. General relativity: an introduction for physicists. Cambridge University Press. 2006: 265 [2022-01-02]. ISBN 0-521-82951-8. (原始内容存档于2019-03-31). 
  10. ^ Kutner, Marc Leslie. 8. General relativity. Astronomy: a physical perspective 2nd. Cambridge University Press. 2003: 150 [2022-01-02]. ISBN 0-521-52927-1. (原始内容存档于2022-01-02). 
其他參考資料

外部連結[编辑]