【腦洞】史蒂文森2-18能裝下1億億個地球,假如地球也有這麼大會怎麼樣?

天空之城 2022/09/10 檢舉 我要評論

太陽的體積是地球的大約130萬倍,對于我們人類而言,太陽無疑是一個龐然大物,然而在宇宙眾多恒星之中,太陽其實也算不大,與已知最大的恒星「史蒂文森2-18」(Stephenson 2-18)相比,太陽可以說是小得可憐。

史蒂文森2-18是一顆「紅特超巨星」,在天空中位于盾牌座,距離我們大約2萬光年,觀測數據顯示,這顆星球的半徑約為15億公里,這大約是太陽半徑的2158倍,也就是說,它的體積大約是太陽的100億倍,地球的1.3億億倍。

即使將「球體堆積」問題考慮在內,史蒂文森2-18也能輕松裝下1億億個地球,那麼問題來了,假如地球也有這麼大會怎麼樣呢?

如果地球真的有這麼大,那它的表面積就將會高達2826億億平方公里,如果以目前地球上的人類數量來計算,那麼平均每人可分到40億平方公里,相對而言,現實中的地球表面積只有5.1億平方公里,也就是說,平均每人大概可以分到相當于「現實地球」8倍的表面積。

我們平常乘坐的客機,其飛行速度一般為每小時900公里,以這樣的速度,我們需要大約1195年才能繞著這個「巨型地球」飛一圈,就算以光速飛行,也需要大約8.73個小時。

不得不說,這樣的「巨型地球」實在是令人感到心馳神往,然而它只可能存在于我們的想象之中,因為宇宙中根本不可能存在如此巨大的巖石行星,就算地球突然變得像史蒂文森2-18那麼大,它也不可能保持穩定。

從本質上來講,宇宙中的眾多星球都是大量物質在引力作用下凝聚而成的天體,而引力在保證構成星球的物質不至于分崩離析的同時,也會讓星球本身具有向內坍縮的趨勢,所以在星球的內部必須要有力量與自身的引力抗衡,否則的話,星球就會發生引力坍縮。

對于像地球這樣的巖石行星來講,其抵擋引力坍縮的力量就是物質之間的電磁力,但一個天體的質量越大,其引力也就越強,如果天體的質量大于等于太陽質量的大約8%,那物質之間的電磁力就無法抵擋引力了。

沒有了足夠強的力量支撐,天體就會發生引力坍縮,其體積將會不斷縮小,這就會造成天體內部的溫度和壓強迅速上升,當達到一定程度的時候,一些相對較輕的元素就會發生核聚變。

在宇宙中的眾多元素中,氫元素的核聚變條件是最低的,與此同時,氫元素的豐度還高得離譜,其質量大概占到了可觀測宇宙的73.9%。

所以當宇宙中的物質通過引力凝聚成一個質量較大的天體時,通常都會含有大量的氫元素,在這種情況下,氫的核聚變就會首先被「點燃」。

核聚變產生的能量會形成一種向外的「輻射壓力」,這可以抵擋引力所造成的坍縮,當「輻射壓力」與引力達到平衡時,天體就會穩定地發光發熱,這樣的天體其實就是宇宙中很常見的恒星。

這個「巨型地球」的質量顯然已經遠遠地超過了電磁力所能支撐的極限,所以它也會發生引力坍縮。

然而地球上的氫元素的豐度卻非常低,其質量大概只有地球質量的0.14%,之所以會這樣,是因為地球的引力不足以束縛住氫氣。這就意味著,「巨型地球」并沒有足夠的氫元素來參與核聚變,那還有沒有其他的元素可以發生核聚變呢?我們接著看。

根據科學家的估算,從整個地球來看(注意是「整個地球」,而不是地殼),豐度排名前五的元素分別為鐵、氧、硅、鎂、硫,它們的質量分別占地球質量大約32.1%、30.1%、15.1%、13.9%、2.9%。

相信大家都知道,鐵元素被稱為恒星核聚變的「終點」,其原因就是對于鐵以及比鐵更重的元素來講,它們的核聚變并不會釋放能量,反而會吸收能量,所以豐度最高的鐵元素并不能給「巨型地球」提供抵擋引力坍縮的能量。

從理論上來講,比鐵更輕的元素都可以通過核聚變釋放出能量,但問題在于,地球上大多數的鐵元素本來就位于其核心區域,除此之外,在「巨型地球」發生引力坍縮的過程中,其自身物質的引力勢能將以熱量的形式釋放,這很快就可以讓整顆星球都處于一種熔融狀態。

在這種情況下,「巨型地球」的物質就會發生「重力分異」,即相對較重的元素「下沉」,而相對較輕的元素「上浮」,而構成地球的主要元素中,鐵元素相對較重,所以它們就會迅速「下沉」到星球的核心。

也就是說,隨著引力坍縮的持續,「巨型地球」絕大部分的鐵都會集中在其核心區域。

需要知道的是,當一個天體的質量達到一個極限值的時候,如果其核心沒有核聚變反應產生的「輻射壓力」,那麼就沒有任何力量能量抵擋引力坍縮,在這種情況下,這個天體就會坍縮成一個黑洞。這個極限值也被稱為「奧本海默極限」,一般認為是太陽質量的3.2倍。

已知太陽的質量大約是地球的33萬倍,史蒂文森2-18則能裝下1億億個地球,地球質量的32.1%都是鐵,我們不用仔細計算也可以知道,假如地球也有史蒂文森2-18這麼大,那它的鐵質核心就遠遠地超過了「奧本海默極限」,而由于其內部不會產生「輻射壓力」,因此這個鐵質核心就會不可避免地坍縮成黑洞。

作為宇宙中引力最強的天體,黑洞可以吞噬其附近的任何物質,所以我們不難想象,在一個黑洞出現在這個「巨型地球」的內部之后,它外層的物質也將被這個黑洞吞噬殆盡,這顆星球最終將演化成一個質量超級大的黑洞。

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