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)
在天文物理學 中,麵條化 ,亦稱義大利麵化 或義大利麵效應 (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
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
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 / 4r 3 ,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
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 的超大質量黑洞 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
^ 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]
^ 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
內文引用
^ 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)
^ Hawking, Stephen . A Brief History of Time . Bantam Dell Publishing Group. 1988: 256. ISBN 978-0-553-10953-5 .
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^ 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 .
^ 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).
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^ 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 )
^ 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).
^ 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
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