黑洞如何吞噬一個伴星

其實不僅僅是黑洞，太陽、木星甚至地球，在吞噬其他小天體時，也不是直接將它們整個吞進去，而是先撕碎再吞噬。這是由於小天體會因中心天體的引力而發生變形，當其與中心的天體的距離足夠小的時候，便會被撕碎，然後再被吞噬。

為什麼引力會使物體發生變形呢？這是因為物體本身並不是一個點，而是有形狀的。為了簡單起見，我們假設位於中心的大天體（如黑洞、太陽、地球）與小天體（如小行星）的形狀都是圓球狀。

透過經典力學很容易證明，天體對附近任何點的吸引力可以等價於一個點對附近的點的引力。也就是說，你可以假定天體就是一個質量很大的點。不過，由於我們要研究外面的小天體是否會變形，所以不能將其看作一個點，而只能將其看作由無數個點組成的物體。

這樣，作為一個點的大天體，對小天體的每一個點的引力的大小與方向，都是不一樣的。假設小天體的直徑是100千米。在進行受力分析時，大天體等效於一個點，那麼，當小天體的中心與作為一個點的大天體的距離為200千米時，它最近的地方與大天體的距離只有150千米，最遠的地方與大天體的距離卻有250千米。因此這兩個點受到的引力的方向雖然一樣，但大小是不一樣的，內側受到的力大，外側受到的力小，物體就被拉伸；然後再看小天體兩側的點，它受到大天體的引力的大小雖然一樣，但方向不同，都斜著朝著中心，於是物體兩側受到擠壓。其他很多點的分析也是類似的。這樣，物體就變扁長，成為鴨蛋形。

當然，大天體導致小天體變形的同時，小天體也會導致大天體變形。地球上的海水受到月球引力，變為鴨蛋形分佈，就是這個原理。由於月球在繞著地球轉，地球海水的最高處也隨著月亮的轉動而變動，產生潮汐。所以，這種力就被稱為潮汐力。潮汐力不僅對液體起作用，對固體、氣體也起作用。事實上，月球會導致地球表面的岩石產生微小的變形（固體潮），地球也會使月球表面的岩石變形。

隨著距離越來越近，潮汐力的作用越來越大，小的物體變形到極限而被撕碎。這就是“潮汐瓦解”事件。能夠使物體恰好被瓦解的距離，被稱為“洛希極限”，以紀念首次計算出這個結果的天文學家洛希。假如兩個天體密度相同，那麼小天體的洛希極限是大天體半徑的2。44倍，即小天體距大天體中心的距離小於等於大天體半徑的2。44倍時，便會瓦解。密度不同時的情況略複雜一些。簡單地說，大天體密度與小天體密度的比值越大，洛希極限越大，物體就會在越遠的距離被瓦解。

假如物體一開始就直接向著中心天體直線下落，碎片就會像一條柱子一樣從天而降，砸落到中心天體。但假設物體一開始就相對中心天體有微弱的角速度，那麼由於角動量守恆，當其被吸引到一定距離時，角速度就會變得非常大。於是瓦解後形成的物體碎片就會變成環繞中心天體的一個帶甚至一個環，繼續圍繞中心天體轉動。此時，如果附近的大氣阻力較大，或者周圍引力強度使軌道不穩定，碎片就會繼續下落，陸續被中心天體吞噬。

當物體被黑洞俘獲而繞其旋轉時，原理類似：距離足夠近時，物體先被瓦解為長條狀，繞著黑洞旋轉。黑洞周圍雖然沒有稠密大氣，但在距離黑洞足夠近的地方，軌道不穩定，物體一邊繞著黑洞旋轉，一邊向下落。距離最近的部分先被吞噬進去，其餘的部分跟著被吞噬進去，直到最後被全部吞幹抹淨。這就是黑洞的潮汐瓦解事件。

潮汐瓦解會產生特殊的天文現象。黑洞“吃飽”後，有時候會“打嗝”，朝著其自轉的兩極方向發出噴流，有時會產生持續時間達到幾千秒的伽馬射線暴，這是伽馬射線暴的來源之一。此外，一些潮汐瓦解事件發生後，會產生明亮的可見光，與超新星很相似。比如2015年發現的ASASSN-15lh，有些研究者認為它是有史以來最明亮的超新星，但有些研究卻認為它是黑洞潮汐瓦解事件，至今還在爭論之中。假如物體被吸入黑洞時，是一下子被吞進去，就不會有這麼精彩的天體物理現象了。當然，由於被吞噬的天體幾乎總是有一定的角速度，因此很難會直直地撞向黑洞之類的中心天體。

太陽系中也有過類似的潮汐瓦解事件，比如1994年蘇梅克-列維9號彗星與木星的撞擊。這個彗星在經過木星附近時就已經進入洛希極限之內，因此被木星的巨大引力俘獲並撕碎，碎片拉開的距離超過16萬千米。從1994年7月17日4時15分開始到7月22日8時12分，20多塊碎片先後撞擊到木星，即被木星吞噬。

此外，一些天文學家們認為，土星環的主體部分也曾是一個完整的天體，因為進入了土星的洛希極限，而被潮汐力撕碎為美麗的環。有研究認為，火衛一在數千萬年之後，也會被火星的潮汐力扯碎而變成火星環。