黑洞的密度極限是多少?

在世丹王


根據廣義相對論推導出,宇宙中有黑洞,黑洞的密度極限是無限。



黑洞是由質量為太陽幾十倍以上的大恆星坍縮演化而來,當大質量恆星內部的氫元素燃完死亡時,內核無法支撐外部巨大的引力便塌陷為一個引力無窮大、質量無窮大、溫度無窮高、體積無窮小、時空曲率無窮大的緻密奇點,恆星所有未燃完的物質都在周圍形成吸積盤(視界範圍),恆星越大,吸積盤越大。由於它不反射光,中心的奇點不可見,美國物理學家惠勒稱之為“黑洞”。


黑洞是宇宙中最恐怖的天體,它無窮的引力可吞噬一切,即使宇宙第一快速的光也不能逃脫它的視界範圍。

宇宙中有無數大大小小的黑洞,它吞噬的物質越多,視界範圍成長得越大。天文學家通過觀測視界輻射和熱量推測到銀河系中心就有一個質量是太陽☀99萬~400億倍的巨型黑洞,銀河系所有天體和星系都被它的引力帶動旋轉。

而宇宙學家對黑洞是否存在頗具爭議。

美國理論物理學家梅爾西尼在2014年曾表示:她和霍金都同意,當恆星因自己引力發生坍塌會釋放霍金輻射。但她認為恆星死亡時釋放霍金輻射根本不會損失質量,所以坍縮的恆星並不會形成緻密的奇點,視界吸積盤也不會產生。將死的恆星在最後只會在膨脹後爆炸而消失,因此宇宙中是沒有“黑洞”的。

如果梅爾西尼說宇宙沒有黑洞是真的,自然再好不過,對地球和人類少了一種巨大的威脅。可如果真的沒有黑洞了,銀河系不是要解散麼?不知地球會怎樣呢?宇宙中究竟有沒有黑洞呢?


弄潮科學


黑洞的密度有多大?如果把我們的地球壓縮成一個黑洞,那麼它的體積將只有直徑1.8釐米,相當於一個小玻璃球那麼大,這樣的密度是不是讓人歎為觀止?

如果將我們的地球壓縮成中子星,那麼它的直徑將在22米左右,如果壓縮成白矮星,其直徑大概在二三十公里左右,很顯然,同樣的質量之下,黑洞的密度最大。



然而這樣的說法卻又是不嚴謹的,因為小質量的黑洞和大質量黑洞的密度完全不同,也就是說黑洞的密度並不是一個固定值,而是變化極大,體現為質量越大的黑洞的密度越小,很是有點匪夷所思。




計算黑洞體積的大小,有一個史瓦西半徑公式,是從物體逃逸速度的公式衍生而來,通常物體的速度若小於一個天體的逃逸速度,就不能擺脫其引力束縛,會被該天體吸引,無法脫離軌道而逃逸到星際空間。所以當特定質量的物質被壓縮到黑洞的該半徑值之內,將沒有任何已知類型的力可以阻止該物質在自身引力的條件下將自己壓縮成一個黑洞。


黑洞的史瓦西半徑公式為:Rs = 2GM/c^2 ; 其中Rs為史瓦西半徑,G為引力常數,M為星體質量,c為光速。

如果僅從史瓦西半徑看,所有半徑尺度和質量大小的黑洞的都是可能存在的,而且黑洞的半徑與質量成正比,又因為球體體積與半徑的立方成正比,那麼當黑洞質量增加時,體積的增加程度將大於質量,這樣黑洞的密度就會變小,因此當黑洞的質量達到一定程度時,密度就會很小。

比如如果將太陽你要說成一個黑洞,那麼史瓦西半徑計算其半徑將為3000米左右,也就是說太陽會成為一個直徑6公里左右的黑洞,但是我們知道地球的質量相當於太陽的33萬分之一,體積是地球130萬倍,同比例的話,太陽變成黑洞的體積應該也是地球的33萬倍,然而很顯然,一個直徑6公里左右的大球中,能放下的直徑1.8釐米的玻璃球的數量遠不止33萬個,也不是130萬個,就是33億個也不止,數量可達百萬億。

再如銀河系中心黑洞的直徑約為4500萬公里,其質量約為太陽的431萬倍,那麼計算一下就會發現,銀河系中心黑洞的體積也遠超過431萬個太陽變成黑洞的直徑6公里的體積。



還有人計算發現,如果把我們銀河系的質量看著一個黑洞的話,那麼它的密度比空氣還稀薄,而如果把我們的宇宙的質量看作一個黑洞,那麼它的密度也大概就是每立方厘米中有5個原子,比我們所謂的真空還有空虛得多,不過它將和我們宇宙的密度幾乎一樣,這也就是說如果我們的宇宙是個黑洞的話,那麼這個黑洞的體積幾乎和我們的宇宙一樣大。


所以,如果以黑洞的體積來計算其密度,那麼黑洞的質量越大,或者說體積越大其密度將越小。

不過我們必須要明白的是,我們所說的黑洞的體積都是一個虛擬體積,因為這種定義和計算方法都是以黑洞的史瓦西半徑來說的,史瓦西半徑的最外端就是黑洞的視界邊緣,然而它並非黑洞的實體界面,這只是一種虛擬體積概念,實際上一般認為黑洞的物質集中地是其內部的奇點,但是我們對黑洞中的世界還一無所知,只是推斷認為黑洞中的奇點是密度無限大體積無限小的點,它的密度肯定是要高過中子星的,和黑洞的視界體積密度也完全不同。


科普大世界



黑洞密度極限是多少?這個問題沒說清楚。因為黑洞理論描述黑洞本身,就是一個體積無限小,密度無限大,曲率無限大,熱度無限高的奇點和周圍一片空空如也的天區。

無限小怎麼理解?就是沒有體積的東西,只要有體積,就不是無限小。這就確定了裡面不管裝了多少東西,密度都是無限大的。



何況黑洞的生成是有條件的,要比太陽大30倍的恆星死亡才能生成黑洞。

而這麼大質量的東西剩下十分之一,坍縮成為一個電子大小,算算它的密度有多大?算極限嗎?

黑洞理論認為,中心只有成為無限小的奇點,這個理論才能成立。所以這個密度已經都無限了,還有什麼極限比無限更大呢?


由於黑洞奇點體積無限小,密度和曲率無限大,就不是密度極限多少可以衡量的了。

只要可以用數據表示,再多少都不是無限。黑洞的密度已超過極限,到了無限。這就是黑洞奇點的性質。但一些人認為黑洞的視界是有體積和密度的。黑洞視界就是可以觀測到的,圍繞著奇點一片空空如也的天區,這個可用史瓦西半徑來描述。

根據上述公式,可以測算出一個天體的史瓦西半徑。

如果把這個視界體積分攤黑洞質量的話,就會得出質量越大的黑洞,史瓦西半徑越大,密度就越小。比如位於仙王座北赤道極附近的S5 0014+813的一個巨型黑洞,質量約為太陽的400億倍,它的史瓦西半徑為1.33*10^14米,密度是0.115克/立方米,比氫氣的密度還低780倍。

但時空通訊認為,這個密度並非黑洞實體密度,黑洞的實體是奇點而不是視界。

如果把視界當作黑洞來計算密度會有兩個致命錯誤:一是質量越大的黑洞視界越大,由於一切質量都集中在奇點,自然會導致密度越小;進入黑洞的所有一切都被無限曲率的奇點所吸進,最終消失在奇點。而視界中只有引力形成的場,並無實物,是一片空空如也的天區,憑什麼分擔密度呢。



因此,時空通訊認為,以黑洞視界來確定黑洞密度的方法是錯誤的,沒有意義的,完全不符合黑洞的根本屬性。

因為所有大小黑洞視界都是空空如也的天區,只有奇點密度無限。從這個意義上來說,所有黑洞密度都是一樣的。


時空通訊


黑洞的密度沒有極限,因為黑洞奇點的密度是無限大,所以通常我們說黑洞密度都是指黑洞視界的密度!

計算方法

所謂黑洞視界這裡我就不做過多闡述了。我們知道越大型的黑洞其視界也越大,所以用視界來計算黑洞密度,得到的結果就會很小。


如果要算黑洞視界的密度,那麼我們必須首先知道視界的半徑!

這裡我們採用經典力學的方法就可以,我們都知道不管什麼天體都會有一個逃逸速度,所以視界的逃逸速度就是光速!我們假設一個物體的初速度是光速!那麼所以該物體的總能量(動能+勢能)都是等於0的:

1/2mv^2=GMm/r(引力勢能) (1)

所以我們可以得到速度關於半徑的關係:r=2GM/v^2(2)又因為我們本身的速度是光速c直接代入即:r=2GM/c^2 (3)

那麼接下來我們就可以計算不同質量黑洞的視界半徑了,如果我們把地球壓縮成一個黑洞:

r=2*6.67*10^-11*6*10^24/9*10^16=8*10^-3米也就是8毫米!!地球質量壓縮到八毫米的範圍,這個密度大約是:4.19*10^33kg/m^3相當大的數字!


如果我們再用銀河系中心黑洞質量來算,質量大約為8.2*10^32kg,所以代入得到視界半徑約為:1.2*10^10米,所以其密度為:

ρ=8.2*10^32/(3/4*1.2^3*10^30*π)=1.16*10^6kg/m^3

大約是水的1160倍,而更大的仙女座星系中心的黑洞擁有上億太陽質量,它的密度和水差不多。


所以我們可以發現黑洞越大,它的密度就越小!這是由於因為史瓦西半徑和黑洞的質量成正比,而體積和史瓦西半徑的立方成正比。

當然這只是用牛頓力學來描述逃逸速度,是不太規範的。但這樣可以更方便理解!如果用相對論去計算過程就過於複雜,不適合作為科普知識!所以就不再敘述了!


科學認識論


答:當前理論描述下,黑洞奇點密度無窮大;黑洞(視界範圍內)整體平均密度,可以從無窮大到足夠小。


黑洞是天文學中一種特殊天體,眾多天文學觀測已經表明,黑洞的確是存在的!



在當前理論描述下,黑洞的質量是有限值,黑洞奇點擁有無窮大的時空曲率、無窮大的密度和無窮小的體積。


當然,這只是當前理論的描述,有可能是當前理論的侷限性導致的,但是目前沒有更準確的理論,來描述黑洞奇點的性質,所以我們只能暫時保留“密度無窮大”這個結論!



另外,當前理論描述,對黑洞整體而言,也就是黑洞的視界範圍,如果以這個來計算黑洞的平均密度,那麼黑洞密度可以足夠小。



因為黑洞的史瓦西半徑,和黑洞的質量成正比,而黑洞體積正比於史瓦西半徑的立方。

所以:黑洞質量的越大,視界範圍也越大,視界範圍內的平均密度會越小,甚至低於水的密度,如果黑洞質量足夠大,那麼視界範圍內的平均密度,就可以小於任何值。


好啦!我的答案就到這裡,喜歡我們答案的讀者朋友,記得點擊關注我們——艾伯史密斯!


艾伯史密斯



為什麼會這樣說呢?因為,所謂的宇宙“黑洞”,是圍繞著無盡數量恆星系運動邊緣與邊緣之間的緩衝帶,是宇宙每個恆星系之恆星所發出的光和熱都不能到達地方,是宇宙圍封著所有恆星系外圍自然形成的黑暗網狀天體,因而,也稱之為宇宙之網物理現象。


由於宇宙之網是存在於無限數量恆星系的外圍之中,起到對宇宙無盡數量恆星系同向運動的平衡緩衝作用,一方面,恆星系之間的同向運動會使宇宙之網同時產生旋渦和對流運動而引發出巨大的壓力和內應力物理現象,用於平衡和緩衝所有恆星系獨立性的同向運動。


二方面,宇宙之網天體只存在著暗物質物理現象,主要是由氣體所構成,由於每個恆星系都是一個獨立性自轉運動的實體,會帶來緩衝帶產生巨大的壓力和內應力物理現象,作用於平衡和緩衝恆星系與恆星系之間的自然隨機運動,這種現象是不存在著密度極限的。

由此可見,"黑洞"只會存在著壓力和內應力物理現象,而是不存在著密度極限現象的。不知這樣的回答是否準確?!如讀者閱後覺得我說的有道理,希給個點贊並關注我,歡迎大家一起討論與學習。宇明於東莞市。


地外天使


所有回答這個問題的的人,都是猜測,以及根據現有物理理論的推測,可惜的是,這些猜測與推測,根本不可能正確,原因很簡單,實際與根據差距太大!猜測沒有任何依據,推測的基礎根本不成立!怎麼辦?其實並沒有想像的複雜,黑洞固然無法測量,無法猜測,無法計算,無法推理,但是你要抓住一點,爆炸的理由,有無轉換的條件,以及有限的極限,不要簡單的用無限推測有限,其實宇宙也是有限的,所謂常數就是這個道理,人們喜歡用直線考慮問題,問題是,你認為的無限,永遠是有限的,宇宙本身不存在無限。提示:智商不足的,不要提問,本人不負責提高你的智商,拒答!


SEPCOYYD


我不知黑洞密度是多少。但我知道黑洞密度有極限。

不光如此。在宇宙這個範圍內,幾個有關物理學的特性,如:密度,質量,溫度,速度,空間,光度,溼度,能量等都有極限。

唯獨時間沒有極限,那是因為它不是物理特性,而是用來描述物理特性的。


桃花罩孤天


黑洞是巨大的物質旋渦,密度很大,但不是無窮大,應該比中子星大一點點。物質的作用不但與質量有關,還與物質的結構與運動狀態有關。


光量子宇宙


黑洞其實就象是地球上風暴眼,沒什麼可怕的!


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