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面条化

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正在落入黑洞的太空人（意面效应示意图）
非均匀重力场作用在球形物体上的潮汐力。重力源在图的右侧，较长的箭头表示较大的力（相对于此球质心）

在天文物理学中，面条化，亦称义大利面化或义大利面效应（英语：Spaghettification）[1]，指物体在强大的非均匀重力场中，受到垂直方向拉伸与水平方向压缩而变得细长（形状像义大利直面）。造成物体义大利面化的重力场，通常是由强大的潮汐力所引起。在黑洞附近，任何成分组成的物质，都无法抵抗重力场造成的形变。小范围内，强大的垂直拉伸与水平压缩效应可以互相平衡，因此被义大利面化的小型物体，不会改变其体积。

史蒂芬·霍金[2]曾描述一个假想的太空旅行：一位太空人穿过黑洞的事件视界，并被头顶和脚尖之间强大的重力梯度“像义大利直面一样拉长”。此现象是由于黑洞奇点施予身体一端的引力远大于身体的另一端。举例来说，若一个人的脚先进入黑洞，则脚受到的重力会远大于头受到的重力，人因此在垂直方向上被拉伸。同时，此人左侧受水平方向力向右，右侧反之，导致身体在水平方向上被挤压。[3]事实上，“义大利面化”一词在这之前就已经被提出。[4]

恒星的义大利面化现象，在2018年首度透过观测距地球1亿5000万光年外的一对交互作用星系被拍摄到。[5]

例子

四个排列向行星落下的物体，受到意面效应的过程

在右边的例子中，四个互相独立的物体，在行星外排成菱形，并向著行星的重力电磁场的方向[6]，也就是指向天体中心方向，进行加速运动。按照平方反比定律，四个物体中离行星中心最近者，将受到最大的重力加速度，四个物体排列的形状因而被拉伸。

这四个物体可以视为一个较大物体的四个相连部分。如果是刚体，它受屈时产生的弹力将会抵抗潮汐力，而达到力平衡。但若潮汐力较大，这个物体在达到力平衡前，仍然会受到一定程度的形变成为细丝带状，甚至直接断裂成一条条碎片。

潮汐力强弱的举例比较

在由质点或球状物体产生的重力场中，潮汐作用让一个指向重力方向的棒状物，产生往两端的张力。数学表达式： F = μ l m/4r3，其中 μ为重力源物体的标准重力参数，l为棒状物长度，m为棒状物质量，r为棒状物中心到重力源中心的距离。对非均质棒状物而言，若质量集中在靠近质心处，张力较小；反之张力较大。此外，潮汐力对此棒状物的作用，也包含水平方向（从棒子两侧）向中心的压缩。

对于大质量物体而言，张力在表面处最大，量值取决于此物体的性质，以及重力源大质量物体的密度（当此物体体积相对于重力源物体而言非常小时）。举例来说，一根质量1 kg，长度1 m的棒子，受到一个密度与地球相仿的重力源作用，其潮汐力引起的张力只有0.4 μN。

白矮星有较大的密度，因此白矮星表面附近的潮汐力较大，可以让上例提到的棒子，产生最大0.24 N的张力。中子星造成的潮汐力又比白矮星更大，可以让棒子产生强达10,000 N的张力。假设这根棒子正直直朝2.1倍太阳质量的一颗中子星落下，在不考虑落下过程熔化的情况下，它在距中子星中心190 km时就会解体（中子星的半径通常只有12 km）。[注 1]

上例中，下落的物体最终会被摧毁，但人在被潮汐力扯碎前，会先死于高温。但在黑洞附近，情形有所不同。假设附近没有其他物质，向黑洞落下的人，最终会死于潮汐力拉扯，因为黑洞不会散发辐射能。此外，由于黑洞缺乏固体表面，不能阻止物体落下，所以物体会持续不断落下并且被拉成细如义大利面的长条状物。

事件视界大小的差异

近距离描绘超大质量黑洞吞噬恒星的场景（艺术家想像图）。[7]

黑洞潮汐力扯碎物体的临界点位置，取决于黑洞的大小。对银河中心的超大质量黑洞而言，这个临界点位于事件视界内，因此太空人可以在不感受到任何挤压或拉扯的情况下进入事件视界，虽然这个状态持续片刻之后，他将无可避免地不断向黑洞中心落下而无法逃离[8]；对于史瓦西半径更接近引力奇点的小型黑洞而言，潮汐力则会在太空人进入事件视界前将其扯碎[9][10]。举例来说，对于一个10倍太阳质量的黑洞而言[注 2]，先前例子中的棒状物体会在大约距黑洞中心320 km处瓦解，远高于此黑洞的史瓦西半径30 km；对于10,000倍太阳质量的超大质量黑洞而言，它会在距黑洞中心3,200 km处崩解，小于此黑洞的史瓦西半径30,000 km。

注释

  1. ^ 一根8公尺长、8公斤重的棒子，会在4倍高的地方解体[来源请求]
  2. ^ 宇宙现阶段能自然生成的最小黑洞，超过两倍太阳质量[来源请求]

参考资料

内文引用
  1. ^ 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） 
  2. ^ Hawking, Stephen. A Brief History of Time. Bantam Dell Publishing Group. 1988: 256. ISBN 978-0-553-10953-5. 
  3. ^ Astronomy. OpenStax. 2016: 862. ISBN 978-1938168284. 
  4. ^ 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.
  5. ^ 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）. 
  6. ^ Thorne, Kip S. Gravitomagnetism, Jets in Quasars, and the Stanford Gyroscope Experiment (PDF). Fairbank, J. D.; Deaver, Jr., B. S.; Everitt, C. F.; Micelson, P. F. (编). Near Zero: New Frontiers of Physics. New York: W. H. Freeman and Company（英语：W. H. Freeman and Company）. 1988: 3, 4 (575, 576) [2022-01-02]. （原始内容存档 (PDF)于2022-01-03）. From our electrodynamical experience we can infer immediately that any rotating spherical body (e.g., the sun or the earth) will be surrounded by a radial gravitoelectric (Newtonian) field g and a dipolar gravitomagnetic field H. The gravitoelectric monopole moment is the body's mass M; the gravitomagnetic dipole moment is its spin angular momentum S. 
  7. ^ Spinning Black Hole Swallowing Star Explains Superluminous Event - ESO telescopes help reinterpret brilliant explosion. www.eso.org. [15 December 2016]. （原始内容存档于2017-12-19）. 
  8. ^ 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）
  9. ^ 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）. 
  10. ^ 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）. 
其他参考资料

外部链接

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