指甲蓋大小的黑洞能否吞噬地球？過程超乎想象！

本文基于回答網(wǎng)友邀答的問題，見截圖：

首先，我們要確定這個(gè)指甲蓋是指黑洞的哪方面尺度。從現(xiàn)在科學(xué)對(duì)黑洞的認(rèn)知來看，黑洞實(shí)質(zhì)是指一個(gè)曲率無限大、溫度無限高、密度無限大、體積無限小的奇點(diǎn)，不管這個(gè)黑洞質(zhì)量有多大，這個(gè)奇點(diǎn)都是無限小，因此如果是指黑洞這方面的性質(zhì)來說，就不存在指甲蓋這么大的黑洞。

但黑洞還有另一個(gè)可測(cè)算性質(zhì)，就是黑洞會(huì)圍繞著這個(gè)奇點(diǎn)，形成一個(gè)球形空間，這個(gè)球形的邊界就是黑洞視界，又叫事件視界，是人類可認(rèn)知事物與不可認(rèn)知事物的分水嶺。在這個(gè)視界之外，是人類可觀測(cè)可認(rèn)知的；一旦進(jìn)入了這個(gè)視界，一切都化為烏有，連光也無法逃逸，人類現(xiàn)代物理理論在這里失效，因此無法認(rèn)知。

理論上所有進(jìn)入這個(gè)邊界后的任何物質(zhì)，包括光，都被吸進(jìn)了那個(gè)無限小且具有無限曲率的奇點(diǎn)里了。

事件視界又叫史瓦西半徑，半徑大小是與黑洞質(zhì)量成正比的。計(jì)算史瓦西半徑的公式為：R=2GM/c^2。這里的R表示史瓦西半徑，G表示萬有引力常數(shù)；M表示天體質(zhì)量；c代表光速。根據(jù)這個(gè)公式，知道了黑洞質(zhì)量，就可以計(jì)算出史瓦西半徑大小，反之，觀測(cè)到了黑洞的史瓦西半徑大小，就可以計(jì)算出這個(gè)黑洞質(zhì)量。

太陽這么大質(zhì)量的黑洞，史瓦西半徑約3000米。如果說指甲蓋大小的黑洞，是指這個(gè)黑洞的史瓦西半徑大小，那么就可以計(jì)算出這顆黑洞的質(zhì)量。但指甲蓋大小也不同，大人與小孩、男人與女人、大拇指與其他指頭的指甲蓋大小都不一樣。因此我們只能大致確定一個(gè)參數(shù)，這個(gè)指甲蓋約為1厘米。

也就是說，這顆黑洞的事件視界直徑為1厘米，那么，史瓦西半徑就是0.5厘米。根據(jù)上述公式計(jì)算，史瓦西半徑0.5厘米的黑洞，質(zhì)量約為3.37*10^24kg，這個(gè)質(zhì)量約為地球的0.56倍。地球質(zhì)量約為5.965×10^24kg，如果被壓縮成一顆黑洞，其史瓦西半徑約為0.897cm。

根據(jù)現(xiàn)有理論，這種黑洞在宇宙中是不存在的，或者說至少現(xiàn)在還沒有發(fā)現(xiàn)這種黑洞存在。現(xiàn)在的理論認(rèn)為，黑洞只有兩種，要么特大，要么極小。

超大質(zhì)量黑洞有兩種，一種是宇宙初期，巨大的星云直接坍縮而成，經(jīng)過億萬年吸積越長(zhǎng)越大，直到今天達(dá)到太陽質(zhì)量的數(shù)百萬乃至上千億倍；一種是大質(zhì)量恒星毀滅后留下的尸骸，至少要30倍太陽質(zhì)量以上的恒星，演化末期發(fā)生超新星爆發(fā)，之后在核心留下一顆約3倍太陽質(zhì)量以上的黑洞，這種黑洞最小的約為太陽質(zhì)量的兩三倍，最大的約為太陽質(zhì)量的一兩百倍。

迄今發(fā)現(xiàn)最小的恒星級(jí)黑洞質(zhì)量為太陽的3倍，坐落在麒麟座方向，被稱為“獨(dú)角獸”黑洞，距離我們僅為1500光年；最大恒星級(jí)黑洞是于2023年11月23日發(fā)現(xiàn)的，科學(xué)家們通過引力波觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)恒星級(jí)黑洞合并，原始黑洞質(zhì)量分別為太陽的137倍和103倍，合并后最終形成一個(gè)巨型恒星級(jí)黑洞，質(zhì)量約為太陽225倍，該事件代號(hào)為 GW231123 。

這種“巨型”恒星級(jí)黑洞，相比那些坐落在星系中心的黑洞，就是小兒科的小兒科了，這些星系中心黑洞，最小的也有數(shù)百萬顆太陽質(zhì)量。比如銀河系核心的黑洞質(zhì)量約為太陽的440萬倍，仙女星系中心黑洞質(zhì)量約為太陽的1億倍，M87星系中心黑洞質(zhì)量約為太陽65億倍，TON618類星體中心黑洞質(zhì)量約為太陽的407億倍等等。而坐落在鳳凰星系團(tuán)中心的鳳凰A（Phoenix A），質(zhì)量則達(dá)到太陽的上千億倍，是迄今發(fā)現(xiàn)質(zhì)量最大的黑洞。

有理論認(rèn)為，宇宙中存在著大量大爆炸初期遺留下來的微型黑洞，又稱作量子黑洞或迷你黑洞，史瓦西半徑小于1納米。甚至有理論認(rèn)為，這種黑洞或是暗物質(zhì)的重要組成部分。但迄今為止，尚無任何觀測(cè)證據(jù)。

而地球這種質(zhì)量的天體，是無法被壓縮為黑洞的，因此，理論上并不存在這種質(zhì)量的黑洞。但既然有人硬要問這樣一個(gè)問題，那我們就事論事來討論一番，作為茶余飯后的科普話題。

在宇宙中，黑洞就是頂級(jí)老大，或者說是天體死亡后的頂級(jí)尸骸，但這種尸骸死而不僵，還會(huì)詐尸，不管多厲害的天體遇到了也只有被吞噬命運(yùn)。因此，雖然一個(gè)只有0.5厘米的小黑洞飛來地球，也將是末日來臨，毀滅將無可避免。

通過科學(xué)建模，我們來描繪一下這個(gè)末日是怎樣降臨的：

星際天體的典型速度約在每秒50~200公里范圍，假設(shè)這顆黑洞進(jìn)入太陽系的速度為每秒100公里，忽略掉太陽引力對(duì)黑洞的拉扯作用，也忽略因各大行星引力攝動(dòng)對(duì)黑洞軌道的干擾，以及途經(jīng)小天體和塵埃被吸積的干擾，一直按每秒100公里的速度直沖地球而來，會(huì)怎樣呢？

這種速度從1光年半徑的奧爾特云帶飛到地球需要耗時(shí)近3000年。也就是說，這顆黑洞現(xiàn)在進(jìn)入了太陽系，地球還可僥幸存活近3000年。

但此時(shí)影響已經(jīng)發(fā)生了，不過前期的影響與一顆正常天體的闖入沒多大區(qū)別，主要是引力攝動(dòng)導(dǎo)致天體軌道發(fā)生改變，一些靠近的小天體被黑洞吞噬或引力拋射，可能導(dǎo)致奧爾特云帶的彗星、小行星飛往內(nèi)行星的概率大大提升，增加地球受到撞擊的機(jī)會(huì)。

問題是如果這顆黑洞朝著地球直奔而來，憑著每秒100公里的速度，這些被黑洞引力拋射的小天體未必能先于黑洞到達(dá)地球。因此，可以說這些影響可被人類觀測(cè)到，但并不一定直接影響到。

一直到這顆黑洞進(jìn)入到木星軌道后，對(duì)地球的干擾才逐漸明顯起來。這時(shí)的主小行星帶小行星的軌道已經(jīng)完全混亂，那些被黑洞引力拋射速度快于黑洞本身飛來速度的小天體，很可能導(dǎo)致地球被撞的幾率大大增加。雖然黑洞引力與同等質(zhì)量天體是一樣的，但由于其體積超小，形成的潮汐力梯度是普通天體的百萬倍，隨著距離越來越近，這種梯度影響越來越大。

黑洞對(duì)地球的潮汐力影響，導(dǎo)致地球軌道離心力增加，地球自轉(zhuǎn)軸傾角變化加劇，季節(jié)紊亂，氣溫急劇升高，極地冰蓋迅速融化。但由于黑洞過來的速度太快，從木星軌道到達(dá)地球只有七八十天，人們來不及感受到這些變化，毀滅就突然到來。

當(dāng)黑洞到達(dá)距離地球只有一個(gè)天文單位（約1.5億公里）時(shí)，影響驟然加劇了。

此時(shí)黑洞到達(dá)地球的倒計(jì)時(shí)只有17天，隨著時(shí)間推進(jìn)，人們會(huì)越來越強(qiáng)烈地感受到異常，主要是黑洞引力會(huì)導(dǎo)致的地球離心率、近日點(diǎn)與遠(yuǎn)日點(diǎn)溫差、地表水蒸發(fā)、農(nóng)作物絕收、小行星撞擊增加等，但這些后果來不及顯現(xiàn)，只能看到海水潮汐越來越大，沿海城市被沖天海浪周期性淹沒，地表溫度日益升高，生態(tài)開始崩潰。

第5天，黑洞距離地球約1億公里，地球平流層臭氧完全被破壞，紫外線輻射致死量超限，地球氣溫逐步上升，到第10天上升15°C，生物從零散死亡到大面積死亡。

第12天，黑洞距離地球約5000萬公里，全球電網(wǎng)因磁暴癱瘓，地表溫度升至50°C，人類和生物大量死亡；隨后黑洞吸積盤釋放的X射線功率越來越強(qiáng)，電離了平流層臭氧，紫外線強(qiáng)度越來越大，地表生物DNA損傷率不斷攀升，被照射動(dòng)物不斷死亡；月球軌道偏心率超0.9，表面潮汐隆起高度達(dá)1公里。

第15天，黑洞距離地球2000萬公里，潮汐力導(dǎo)致地球形變，海洋潮差增至80米，沿海城市被周期性淹沒；高層大氣以每秒10^15kg的速率被不斷剝離；海洋pH值降至4.5，所有海洋生物，包括僅存于深海熱泉的極端嗜熱菌（如Strain 121）因水溫超過150°C而滅絕。

第16天，黑洞距離地球約1000萬公里，潮汐力使地球變形加劇，赤道直徑膨脹8公里，兩極被壓縮5公里，引發(fā)遍布全球的里氏7級(jí)以上地震和火山大暴發(fā)；大氣加速逃逸，大氣壓降到50kPa，哺乳動(dòng)物因缺氧全部死亡，海洋迅速蒸發(fā)，所有多細(xì)胞生物全部滅絕；隨之，最后幸存的地下微生物（如耐輻射奇球菌）滅絕。生命從此在地球消亡。

月球被撕裂，碎片形成環(huán)繞地球的臨時(shí)環(huán)系，表層巖石以每秒1公里速度墜入地球，形成地球全球火流星。

第16.5天，距離地球約700萬公里，地球出現(xiàn)解體前兆，隨著不斷靠近，全球地震火山爆發(fā)加劇，距離100萬公里時(shí)，地球兩極物質(zhì)開始噴射，巖漿噴發(fā)覆蓋地表70%，兩極噴發(fā)物質(zhì)形成等離子體噴流，達(dá)到每秒800米，形成長(zhǎng)3萬公里的硅酸鹽等離子體流。

第16.9天，黑洞到達(dá)地球洛希極限（約9500公里），地球全部解體，地殼碎裂成100公里大小碎塊，地核暴露，形成鐵鎳流體高速拋射，地核壓力驟降引發(fā)超新星式爆炸，拋射物質(zhì)形成溫度500萬K的初級(jí)吸積盤。

第17天，黑洞與地球融合，30分鐘內(nèi)地球全面解體，形成初級(jí)吸積盤；5小時(shí)內(nèi)形成圍繞黑高速吸積盤，寬度可達(dá)300公里，內(nèi)沿轉(zhuǎn)速達(dá)到光速的10%，外沿轉(zhuǎn)速達(dá)到每秒數(shù)千公里，物質(zhì)高速碰撞摩擦，形成噴射流和強(qiáng)光、X射線、γ射線，輻射峰值時(shí)亮度達(dá)到太陽10億倍，溫度達(dá)到1.2億K。

黑洞要完全吞噬掉地月殘?jiān)枰嗑茫F(xiàn)有理論無法確定，或者需要數(shù)天，或者需要數(shù)千萬乃至上億年。由于黑洞吃相難看，并不會(huì)將物質(zhì)囫圇吞棗全部吞下，而是一邊吃，一邊不斷以能量輻射和噴射流方式向太空轉(zhuǎn)移質(zhì)量，這些損失的質(zhì)量約為21%，這樣最終地月被完全吞噬后，黑洞質(zhì)量長(zhǎng)大到地球質(zhì)量的1.36倍，成為一顆史瓦西半徑約為1.22cm的黑洞。

這顆黑洞沒有了吸積盤，就很難看到了，除非通過引力透鏡方式觀測(cè)。黑洞將繼續(xù)影響著太陽系的命運(yùn)：

如果這顆黑洞從此留在地球軌道的話，由于其質(zhì)量加大以及潮汐力作用，將引發(fā)行星軌道漸進(jìn)性偏移，金星和火星環(huán)境氣候條件會(huì)發(fā)生很大改變，小行星撞擊的風(fēng)險(xiǎn)激增；如果繼續(xù)在太陽系游走，最終將吞噬掉太陽系所有星球，包括太陽。

以上描述，只是假設(shè)一顆0.56倍地球質(zhì)量黑洞，高速闖入太陽系，并直通通來到地球的簡(jiǎn)單線性描述。事實(shí)上，真有這樣的黑洞闖入，是不會(huì)這樣直通通過來的。在各大天體引力作用下，很可能要走許多彎路，也可能一路吞噬各種小天體甚至行星，這樣來到地球的時(shí)間會(huì)更晚，人類感受到的災(zāi)難和恐懼會(huì)更多，但又束手無策，只能眼睜睜等待著死亡降臨。

如果真有一顆這樣的黑洞闖入太陽系，可以斷定就是太陽系的末日。不過，這種事情至少目前還沒有任何跡象會(huì)發(fā)生，該吃吃該喝喝，本文只是給大家送上一個(gè)科普話題。本文屬于通俗科普，并非嚴(yán)格科學(xué)論文，因此一些計(jì)算描述并非精確，歡迎批評(píng)討論。

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