问爱善：一个黑洞可能最终吞噬地球吗？

赔率是细小的，但后果会字面上是世界结束。真的有一个一个黑洞吞噬地球的机会。

STARTS WITH A BANG — MAY 12, 2023

Ethan Siegel

黑洞和中子星加速围绕它们的物质并且是非常高能量现象的来源，但源自大质量恒星的死亡。这些恒星残骸是前几代恒星已经生活、死亡并增富星际介质的剩下的证据。随它们旅行穿过明星系，总有一种可怕的可能性，它们将遭遇恒星和行星，完全吞噬它们。Credit: Kagoshima University

关键要点

从任何有人居住的行星的角度，更大的宇宙充满了危险：爆炸的恒星、彗星和小行星、伽马射线暴和它们中的黑洞。

但黑洞摆出一个因为它们的看不见的和不可摧毁的性质特别的危险，对被一个黑洞吞噬没有 “世界末日一样”的解决方案。

虽然地球被一个黑洞或任何太阳系行星吞噬的赔率，就这件事是低的，但它绝对的是一个真实的可能性。

行星地球可能遇到它的最终谢场的所有方式，被黑洞弄死是最壮观中的。虽然伽马射线暴、附近的超新星或与小行星或彗星的巨大碰撞可能容易的对我们星球上的所有生命摆出一个威胁，但一个黑洞提供一个甚至更严峻的命运：完全的摧毁地球本身的可能性，可能甚至吞噬整个的它。虽然随太阳继续肿胀、膨胀和加热起来，地球上的生命被预计将在约20亿年内来到一个结束，但我们预计地球本身来呆着留另外50亿至70亿年，直到太阳变成一个红巨星为止，在那一点上它将吞噬水星、金星和可能的地球。

但总有一个黑洞随恒星和恒星残骸跳舞穿过整个银河系随机的进入我们的太阳系并在这个过程中吞噬我们的星球的可能性。这导致这个本周来自安德里亚·霍尔（Andrea Hall）的问题，他想知道：

“地球或我们的任何其他行星最终被吞噬进一个黑洞吗？还是在那里它太远不能影响我们呢？”

这是一个挑战性的问题，因为虽然我们所知道的黑洞是太遥远不可能在可预见的未来任何时候吞噬我们，但我们知道在那里有很多看不见的潜伏者，这些可能是所有中最危险的潜伏者。

在我们银河系中心的超大质量黑洞射手座A *由于各种物理过程发射X射线。我们在X射线中看到的耀斑表明，物质不均匀且不连续的流在黑洞上，导致我们随着时间观察到耀斑。Credit: NASA/CXC/Amherst College/D.Haggard et al.

到目前为止，我们知道只有四种主要方法来直接的探测黑洞。一种是通过它们发射的光，特别是X射线光。

你可能立即的反对并说：“等一下，我认为黑洞的定义特征是它们是黑的，因为内部没有光能从它们逃脱”。这是真的：从它们的事件地平线内。有一个你能围绕任何黑洞画的假想的表面------对一个非旋转黑洞的球体和一个用于对一个旋转黑洞的扁平球体------从它的内部隔开它的外部。如果任何东西越过到事件地平线的内部，它不能逃脱，它一定不可避免的击中中心奇点，在那里它只添加黑洞的质量和能量。

但是黑洞的事件地平线是非常小。虽然像我们的太阳这样的恒星跨度是超过约100万公里，像参宿四这样的巨星可能比木星的围绕太阳的轨道更大（超过约10亿公里），但黑洞是已知宇宙中最密的天体。太阳质量的黑洞会有一个半径仅约3公里的事件地平线，在我们银河系中心的超大质量黑洞射手座A *------银河系中最大的黑洞------跨度约为2000万公里。每当一团物质与黑洞相交时，无论是行星、恒星、气体云还是任何其他东西，仅一小部分质量被吞噬，剩下的被撕裂开并被加速，在那里它发射我们能观察到的辐射。

当一颗大质量恒星环绕一个恒星尸体时，比如一颗中子星或一个黑洞，残骸能吸积物质，加热和加速它，导致X射线的发射。这些X射线双是所有恒星质量黑洞怎样被发现的，直到引力波天文学到来为止，并且仍然是银河系的大多数已知黑洞已经被发现的。Credit: ESO/L. Calçada/M.Kornmesser

我们一直看这个围绕在星系的中心的活跃黑洞：活跃的黑洞发射壮观的辐射流，所有都被认为被下落的物质造成。我们银河系自己的超大质量黑洞射手座A *已经被观察到随物质落入它并被清除掉来耀斑并安静下来。

 同样的物理机制对任远何更常见的黑洞恒星质量黑洞是起作用的：，而不是主要在星系中心发现的超大质量种类。当一颗足够大质量的恒星达到它的生命的结束时，它的核将坍塌，导致一个黑洞的可能创造。尽管“多大质量是足够大质量的”的确切细节是导致一个黑洞的，但从来将形成的每800颗恒星中约有1颗被预期到达那里。基于这个数字，我们的银河系内估计约有5亿（500000000）个黑洞。

但大约一半的恒星不是像我们的太阳那样被诞生在单态系统中，而是有伴星。如果一个黑洞被另一颗恒星环绕，取决于恒星的大小以及两个天体之间的分开有多近，黑洞能从它的伴星虹吸物质，导致X射线的发射。目前已知有数百个这样的X射线双，表明我们银河系存在许多黑洞。

截至 2021 年11 月，所有电磁上和引力波观测到的黑洞和中子星的最新更新图。虽然这些包括从对最轻的中子星略高于1个太阳质量的天体，，到对后合并黑洞略高于100个太阳质量的天体，但引力波天文学目前只对一组非常狭窄的天体敏感的。最近的黑洞都已经被发现为X射线双，直到2022年11月发现盖亚BH1为止。Credit: LIGO-Virgo-KAGRA / Aaron Geller / Northwestern

不幸的是，这种结构并不能描述大多数黑洞系统，因此不能探测到银河系的大部分黑洞。

我们能做的第二种方法是通过观察被其他恒星质量环绕的黑洞发出的引力波：恒星、白矮星、中子星或其他黑洞。这些发射引力波的有一个特定的频率和振幅，取决于两个彼此环绕的天体的质量和分开。自2015年先进的激光干涉仪引力波天文台探测器开始运行以来，用这种技术已经发现了数十对黑洞对。

再次，不幸的是，这种技术只能用现有技术揭示处在与其他黑洞合并的实际行动中的黑洞。我们已经用这种技术发现的所有黑洞对中，没有一个是甚至在地球的1亿光年以内，它们都在我们银河系之外。虽然我们的下一代引力波探测器有潜力，激光干涉仪空间天线（LISA）将有来揭示我们银河系内的黑洞双的能力，但对这个群体是否代表银河系内一个实在的黑洞部分还有待观察，尚不知道激光干涉仪空间天线是否将对其中任何一个是敏感的。

银河系部分的视图展示三个缩放水平。在左边，显示了被称为盖亚DR3 4373465352415301632的单个恒星系统，它包含一个约10个太阳质量的双伴星和一个为185.6天（中心）的轨道周期。在右边，还显示了由于黑洞的透镜效应这颗恒星可能如何出现。Credit: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (K. C. Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC (CC BY-SA 3.0 IGO)

探测黑洞的第三种方法是非常新的，它实际上是用来探测离地球最近的已知黑洞盖亚BH1的新记录保持者的方法。通过随着时间非常精确地观察一颗恒星，我们能够来检测到它的运动的异常模式。随它移动过天空，它追踪出一个螺旋一样的形状，好像它正在围绕一些看不见的、不可见的质量一样。基于恒星的属性和它的观测到的轨道，我们能够重建有一个质量约为太阳5倍的非发光天体在它上施加一个引力影响。有一类已知的天体完全符合这样的描述：一个黑洞。

一些黑洞已经被以这种方式探测，盖亚BH1距离地球仅1560光年，是已知距离地球最近的黑洞。但再次，很难做出足够灵敏的观测，特别是在大距离上来探测这些对一个恒星的运动的微小扰动。虽然即将到来的天文台如美国宇航局下一个即将到来的天体物理学旗舰使命南希罗曼望远镜，可能揭示比盖亚BH1甚至更近和更多的黑洞，但在我们已经获得这种数据之前我们将不得不等待几年。

但探测黑洞的第四种方法，尽管它是迄今为止最不成功的方法，但也是唯一一种有一个揭示我们尚未发现的大多数黑洞方法的希望：引力微透镜。

考虑这个：并非所有恒星或黑洞都出在双系统中，只有一小部分黑洞让这些黑洞足够接近环绕来发射任何用当前技术可以探测到的信号。但每一个黑洞，事实上是宇宙中的每一个质量，在空间本身的织造上施加一个引力影响，造成空间在它发生的任何地方弯曲。

 随着银河系中的行星、恒星和黑洞随着时间相对彼此移动，最终将是一个之间对齐

我们太阳系中的任何望远镜或天文台，

任何在那里的黑洞，

以及一个背景光源，如一个更遥远的恒星或星系。

当这种情况发生时，由于弯曲空时的影响，背景光源出现变亮和扭曲------这种现象被称为引力透镜或者对于这些小点质量引力微透镜------使我们来重建甚至看不见的前景质量的属性，如黑洞。

当一个引力微透镜事件发生时，来自一个恒星或星系的背景光随一个中间质量穿过或靠近恒星的视线被扭曲和放大。中间引力的作用弯曲光和我们眼睛之间的空间，创造一个特定的信号，揭示问题中的中间天体的质量和速度。随着足够的技术进步，被流氓超大质量黑洞的微透镜可以被测量。Credit: Jan Skowron/Astronomical Observatory, University of Warsaw

假设黑洞被随机分布在整个银河系中，并且真的有几亿个黑洞存在，这可能意味着离地球最近的黑洞距离地球只有约40-80光年。这对考虑距离我们最近的黑洞超过1000光年是一个非常非常不同的事情。

突然之间，你可能不觉得如此安全了！

真的，我们不一定是安全的。如果一个黑洞接触地球，它当然将吞噬我们。但我们不需要为了遭受灾难性后果被吞噬。如果一个黑洞只是离地球很近的地方经过，它会造成所谓的一个潮汐破坏事件：一个黑洞的引力影响在地球的“更近一侧”比在地球“更远一侧”是如此远更强，以至于它实际上开始撕裂开我们的星球。同样，相对于中心，地球的“顶部”会被被直拉下，而“底部”被直拉上。在短的秩序，将地球绑在一起的引力和原子键能被打破，将我们的星球从一个固体球体变成一个细而拉伸的碎片流，看起来像一片意大利面条一样。事实上，天文学家已经将这一确切的过程命名为“意大利面化”，因为黑洞有拉伸效应。

如果一个黑洞在一个与地球发生碰撞上，我们就不会有来自黑洞本身的任何警告，但它会扭曲和弯曲来自背景天体的光线，揭示如果我们足够仔细地观察它的存在。质量弯曲空时的事实，无论它发出什么类型的光，都是一个来发现可能正隐藏在附近宇宙中的黑洞的关键并且给我们提前警告潜在的意大利面条化事件。Credit: the Ohio State University

就像这种命运令人毛骨悚然一样，这仍然需要一个黑洞非常接近地球经过：如此之近以至于它高度的不可能发生。然而，更有可能发生的是，这些流氓黑洞中的一个将经过我们太阳系附近的某个地方，在那里它就像任何其他质量一样行为：以一种黑洞越近越强的方式拖在太阳上和所有行星上。如果一个典型的黑洞在土星或木星的轨道内经过，它可能会以如此一种显著的的方式扰乱地球围绕太阳的轨道，以至于要么我们被扔进太阳，要么被完全甩出太阳系。这对人类肯定是一场灾难！

然而，幸运的是，我们不必被这些可能性吓倒。相反，我们能基于我们的物理学的理解以及宇宙中黑洞被预期多丰富量化，这种事件影响我们星球的可能性。这三种可能性：

 一个黑洞吞噬地球，

一个黑洞意大利面条化地球，

一个.黑洞毁灭我们围绕太阳的稳定的、生命友好轨道，

都能被量化。

这幅一个潮汐破坏事件的描画显示一个大质量的大天体的命运，它不幸离一个黑洞太近。它将在一个维度上被拉伸和压缩，粉碎它，加速它的物质，并交替吞噬和甩出从它发生的碎片。有吸积盘的黑洞往往有高度不对称的属性，但比缺乏吸积盘的非活动黑洞更明亮得多。Credit: ESO/M. Kornmesser

为了实际上吞噬地球，一个黑洞会必须非常接近我们的星球：足够近------当你考虑到地球如何由于引力吸引加速时------地球和黑洞之间会有一个实际的物理接触。鉴于我们预计在那里有多少黑洞，以及我们的太阳系已经存在了多长时间，在过去的45亿年里，任何行星会遭遇一个黑洞的几率只有约0.0000000001%，即千亿分之一。

如果你只要潮汐破坏地球，你能是距离大约100倍远，但仍然做它，因为一个黑洞的引力（以及由于它的影响发生的潮汐力）就是这么强。这增加赔率一个10000倍的因素到约0.00001%的几率或在太阳系的历史中10000000分之一（1000万）。这仍然小的，但仍然令人不安：它比你在强力球彩票上赢得大奖的可能性更大。

但如果由于黑洞的引力影响你全要做扰乱地球的轨道，那就另当别论了。如果一个黑洞来到木星或土星的距离内，那会足够来做它，有一个在我们太阳系的历史中这种情况发生约0.01%的机会，或者大约是万分之一。鉴于在银河系中有4000亿颗恒星，对仅我们银河系中了数百万颗行星这可能已经可能发生。

如果地球不幸要么遇到一个黑洞，要么只是离黑洞太近，我们的星球将被不可避免的被摧毁。这是一个极不可能的场景，但我们在宇宙中一直有时间来等待它。Credit: ESO/M. Kornmesser

重要的是要记住，以许多方式，我们自己的星球和太阳系就像在宇宙大彩票中获得一张单一彩票一样。有很多极不可能的事件，给定足够的机会，很可能会在宇宙的某个地方发生。有一个被估的在可观测的宇宙中10^21个恒星并且它们存在数十亿年，有时甚至不太可能发生的事件将发生。

虽然我们通常乐观地思考这个，在那里有正确成分和条件的行星能发展生命、复杂生命、智能生命、甚至技术先进的生命，但它也悲观的以另一种方式运作。行星能被宇宙中的所有其他天体甩出、撕裂开，甚至整个被吞噬：恒星、恒星尸体和甚至黑洞。关于这一切的一个好消息是任何特定灾难发生的赔率甚至是在几十亿年的时间尺度上，对任何一个系统是非常低的。但是，在宇宙中有足够的机会，实际上被保证甚至这些事件的最引人注目的在我们可见宇宙中的某个地方发生。来发现它们所有的乞求将可能是一项永无止境的事业。

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