迄今已知的黑洞的体积到底有多大?——科普一下“史瓦西半径”

白云蓝天
楼主 (文学城)

 

史瓦西半径

       史瓦西半径是以德国天文学家卡尔·史瓦西的名字命名的。1916 年,史瓦西计算出不旋转不带电荷的黑洞的史瓦西半径(旋转黑洞、带电荷黑洞与旋转带电荷的黑洞的情况稍许不同)。任何天体的半径小于史瓦西半径都会坍缩成为一个黑洞,而史瓦西半径也就是黑洞视界的半径,也就是说一个天体的原先半径相等于坍缩成为黑洞之后的视界半径。
       史瓦西半径与其质量成正比,而密度则与体积成反比。太阳的半径是地球半径的109倍,但太阳的史瓦西半径并非只是地球史瓦西半径的109倍,而是33万多倍,因为两者的史瓦西半径之比就是两者的质量之比。所以,太阳的史瓦西半径约为3公里,10个太阳质量的天体的史瓦西半径是30公里,而地球的史瓦西半径只有约9毫米,月球的史瓦西半径仅约0.1毫米。如果由于某种原因,太阳的体积被压缩至半径3公里以下、地球被压缩至半径9毫米以下、月球被压缩至半径0.1毫米以下,它们也都会在没有事先经过任何热核聚变反应的情况下自然地坍缩成为黑洞,而它们的视界半径也分别为3公里、9毫米与0.1毫米。

 

宇宙中最大的与最小的黑洞

       天体之间体积相差越大,它们的史瓦西半径与密度之比也呈指数式的增长。体积极小的天体,只有密度极大,才能在自身的引力作用下坍缩成为一个黑洞;反之,体积极大的天体,即使密度极低也照样具有足够的引力坍缩成为一个黑洞。一个相等于珠穆朗玛峰质量的天体只具有比1个纳米小得多的史瓦西半径,没有任何可以想象得出来的原理能够解释这么高的密度。但这还远不是最小的黑洞。还有质量相当于一辆汽车的黑洞,直径约为10-24米(原子核的半径是10-15米)。还有质量为100个氢原子(质子)的黑洞,它的直径又会是多少呢?另一方面,超大质量黑洞的密度却非常之低,甚至比空气的密度还要低得多,这就是为什么已知最大的超大质量黑洞(SDSS J140821.67+025733.2)的质量为1960亿个太阳质量,而直径却大至1万2千亿公里。如果按照太阳的密度,1960亿个太阳质量的天体的直径约为80亿公里,而该黑洞的直径却是1万2千亿公里,是前者的150倍,所以密度仅是太阳的密度的337.5万分之一。这也绝不是宇宙中最大体积的黑洞。预计宇宙中的一些怪兽级黑洞会在超星系团坍缩期间继续增长到大约100万亿个太阳质量,它们的体积又会是多少呢?

 

宇宙就是在一个巨大无比的大黑洞爆炸之中诞生的?

       如果宇宙有朝一日因为引力作用坍缩成为一个奇点,那么我们不妨也可把宇宙大爆炸之前或再次坍缩为奇点之后的虚空看成是一个巨大无比的黑洞(其密度远小于目前宇宙6个质子/立方米的平均密度),而把将膨胀到极限的宇宙看作是一个将坍缩为黑洞的天体。这个宇宙级“黑洞”或这个将坍缩为“黑洞”的“天体”的史瓦西半径是多少呢?我们不妨计算一下:1. 可观察宇宙的普通物质质量约为5500万亿亿个太阳质量,加上暗物质、暗能量约为1亿亿亿个太阳质量(普通物质占总质量的4.9%);2. 根据阿兰·固斯的宇宙膨胀定律计算,不可观察宇宙的总质量约为可观察宇宙总质量的1500万亿亿倍,所以不可观察宇宙的总质量约为1500万亿亿亿亿亿个太阳质量;3. 1个太阳质量的黑洞的直径约为6公里,所以1500万亿亿亿亿亿个太阳质量的直径约为1亿亿亿亿亿亿公里(1000亿亿亿亿亿光年)。由此得出宇宙大爆炸之前或再次坍缩为奇点之后的虚空的史瓦西半径是500亿亿亿亿亿光年,为不可观察宇宙的半径的2亿亿亿倍(密度为目前宇宙6个质子/立方米的密度的2亿亿亿分之一)、可观察宇宙的半径的1亿亿亿亿亿倍。如果黑洞的史瓦西半径的原理确实同样适用于宇宙,那么,宇宙是否一直膨胀到目前的不可观察宇宙的直径的2亿亿亿倍时才会或就会停止膨胀呢?宇宙停止膨胀之后是否会再次坍缩为一个奇点或一个宇宙级的“黑洞”呢?宇宙膨胀到上述的尺度需要再花多少年呢?而再次坍缩为一个奇点或宇宙级的黑洞又需要再花多少年呢?这些可能永远都属于宇宙级别的迷。

 

黑洞的奇点、事件视界与史瓦西半径

 

地球围绕太阳的轨道与已知第三大黑洞(TON 618)的体积之比

 

老商
尽管是科普,普通人仍旧难理解,宇宙这门科学太深奥了!是专业人士研究的。
白云蓝天
如果知道黑洞的一些知识,不会理解不了贴子的内容。
老商
但是知道黑洞知识的人不多,除非专功"天体"这门学科。而且有许多分支。
白云蓝天
现在读过书的人没几个不知道黑洞是怎么回事吧!
老商
学习了!
白云蓝天
相互学习,多提宝贵意见!
最接近太阳的人
黑洞就是一切归零--无;大爆炸是无中生有.
通州河
所谓的“已知”是数学上的推导吧,据我所知人类了解的黑洞都是理论上的或者某一特定物理现象推导假设的,
最接近太阳的人
黑洞应该已经算有实际证据的,
白云蓝天
黑洞的存在已被证明,但其很多性质仍是数学上的推导,比如黑洞蒸发、黑洞的寿命,但黑洞的质量与体积完全可以通过计算得出。
信笔由墨
宇是空间,浩瀚无垠;宙是时间,无始无终。人类观到的宇宙大爆炸,不过是瀚宇中的微小部分。宇存于何处?,宇外是什么?
白云蓝天
你说的是哲学意义上的宇宙,没法研究的。科学家所说的宇宙其实就是中国以前说的总星系,但现在没有人用这一名称了。
一问三知
不理解“低密度”黑洞
白云蓝天
黑洞越大密度越低。如果有质量很大的天体,即便密度很低也能坍缩为黑洞。所以超大质量黑洞密度都很低。
白云蓝天
宇宙有个临界密度(每立方米约5.7个质子质量),超过这个密度,宇宙就会坍缩为奇点,跟黑洞的道理一样,只不过宇宙要大得多。
一问三知
你把黑洞前天体和黑洞本身搞混了。黑洞不可能低密度。
白云蓝天
黑洞低密度不是我说的,是科学家观察、研究的结果。贴子解释得够清楚了!

超大质量黑洞平均密度可以很低,甚至比空气密度还要低。这是因为史瓦西半径与其质量成正比,而密度则与体积成反比。由于球体(如非旋转黑洞的事件视界)体积是与半径立方成正比,而质量差不多以直线增长,体积增长率则会更大。故此,密度会随黑洞半径增长而减少。(维基百科) Black hole classifications Class Approx.
mass Approx.
radius
Ultramassive black hole 109–1011 M >1,000 AU
Supermassive black hole 106–109 M 0.001–400 AU
Intermediate-mass black hole 102–105 M 103 km ≈ REarth
Stellar black hole 2-150 M 30 km
Micro black hole up to MMoon up to 0.1 mm

 

  10至1000亿个太阳质量的黑洞的半径大于1000个天文单位(1500亿公里)——你去算算这个密度吧!
白云蓝天
如果10亿个太阳质量的黑洞,半径大于1500亿公里,密度还不到太阳的1000万分之一!
白云蓝天
黑洞越大,密度越低,所以如果把宇宙看成一个黑洞的话,其密度低至每立方米只有5.7个质子。
一问三知
实际上是个误解,是把黑洞视界以内的空间都当成黑洞。其实黑洞绝大多数质量,都集中在无限接近零的极小空间,密度无限大。