超大質量黑洞的平均密度可能比水的密度還低，你相信嗎？
接下來我們用數據說話，看看是真是假。
超大質量黑洞M87*的平均密度竟然比水低？
黑洞是什麼樣子的？
許多年以來，大家對黑洞這種奇特的天體並不陌生。儘管它一直只存在於科學家們繁雜的公式與玄幻的描述中，但公眾早已經通過各種各樣的PS圖片知道了它的樣子：
一個黑乎乎的窟窿。
藝術家想像黑洞的樣子
它真是一個窟窿嗎？之前沒人知道，也沒人真實地見過。
1784年11月，英國天文學家約翰·米歇爾提出這樣一個觀點：當一顆恆星的密度與太陽相當、直徑又比太陽大500倍時，這時候它的引力會變得非常大，連光線都沒辦法逃離它的表面，它就會變成一種“暗星”。我們從外界無法直接看到它，但可以通過周圍其它星球的引力關係找到這顆恆星的存在。
這就是科學界已知的對黑洞最早的描述。
1915年，愛因斯坦在他的廣義相對論中提出場方程，從而證明了確實有可能存在這樣一種天體，它的引力可以改變光的路線，甚至使宇宙中速度最快的光都無法逃脫。愛因斯坦還在他的場方程中描述了“點質量”天體與球形質量天體的引力場。
廣義相對論以時空曲率解釋黑洞的引力場
1916年，施瓦茲希爾德對愛因斯坦場方程進行了解釋，他認為當一顆恆星質量足夠大時，有可能坍縮到一個點，而由於這個點擁有極大的質量，其引力可以使其周圍一定半徑範圍內的光都無法逃脫，這個半徑被稱為Schwarzschild半徑（史瓦西半徑）：
R = 2GM / c^2
在這個公式中：R為光速逃逸的半徑；M指黑洞質量；G為引力常數；c為光速。
於是，儘管誰也沒見過黑洞真正的樣子，但科學界基本達成了這樣的共識：黑洞就是一個質量極大的天體，它的質量集中在一個體積接近於0的奇點上，而在這個史瓦西半徑為R的球形範圍內，光線都無法逃逸。這個球體的表面被稱為事件視界，你永遠不知道視界裡邊是什麼樣子，它是一個黑洞。
黑洞的半徑就是史瓦西半徑
現在我們知道了：黑洞是一個黑暗的區域，它的中心有一個質量極大的奇點。
黑洞到底有多重？
天文學家們認為黑洞是大質量恆星因引力坍塌形成的緻密天體。
並不是所有的恆星都能坍塌成黑洞，如果恆星的質量不夠大，它只能坍塌成白矮星或者中子星，這取決於恆星坍塌物質的引力能不能夠大於中子之間的排斥力，如果這個力小，恆星就變成中子星；如果這個力足夠大，恆星就會進一步坍塌成黑洞。
一般認為，當一顆恆星的質量大於太陽質量的20倍時，它才有可能在超新星爆發後坍縮為一個黑洞。
所以黑洞的最低質量應該是太陽質量的20倍以上，低於這個值的最多隻會是中子星。
大質量恆星在超新星爆發後坍縮為黑洞
黑洞的體積有多大？
我們在前文中講了黑洞的定義，由此我們可以得出，黑洞的大小取決於它的史瓦西半徑，而史瓦西半徑又取決於其奇點的質量大小。
黑洞質量與體積大小的關係就是史瓦西方程。
按照史瓦西方程計算的結果，如果地球被壓縮直到變成黑洞，它的直徑約為17.4毫米，跟手指頭差不多大；如果太陽被轉換成黑洞，那將大約5.84公里寬，大概相當於一個村子大小。當然，無論是地球還是太陽未來都不可能變成黑洞。
超大質量黑洞的體積相當龐大，我們銀河系中心的黑洞射手座A*約為我們太陽質量的430萬倍，半徑約為1270萬千米；而天文學家們剛剛拍下照片的處女座星系中心M87*黑洞則有相當於65億倍太陽質量，視界半徑達到177億千米。
黑洞射手座A*位於銀河系中心，它的質量為太陽的430萬倍
根據球體的體積公式：V=(4/3)πr^3
由此我們可以計算出：
射手座A*黑洞的體積為：5.32 × 10^30 （立方米）
M87*黑洞的體積為：2.32 × 10^40 （立方米）
黑洞的密度是怎樣的呢？
由於黑洞的奇點體積趨向於無限小，所以無論黑洞的質量有多大，它奇點的密度都趨向於無限大。但對於不同質量的黑洞，它的平均密度卻相差甚遠。
我們已知太陽的質量為2× 10^30 （千克）
射手座A*黑洞是太陽質量的430萬倍，為：8.6 × 10^36 （千克）
M87*黑洞的質量是太陽質量的65億倍，為：1.3 × 10^43 （千克）
以黑洞事件視界範圍為體積來計算黑洞的平均密度，則：
射手座A*黑洞的平均密度為：1.62 × 10^6 （千克/立方米）
M87*黑洞的平均密度為：560 （千克/立方米）
M87*黑洞照片，外圍的光環是它的吸積盤
我們知道水的密度為1000千克/立方米，所以銀河系中心射手座A*黑洞的平均密度是水的1620倍，而位於處女座M87橢圓星系中央超大質量黑洞M87*的平均密度則比水的密度還要低！
總結：
黑洞的平均密度定義為黑洞的質量除以其史瓦西半徑內的體積。因為史瓦西半徑與其質量成正比，而球形物體的體積與半徑的立方成正比，因此黑洞的密度與質量的平方成反比，因而更高質量黑洞有較低的平均密度。當黑洞的質量足夠大時，它的事件視界的球體體積也要大得多，因此超大質量黑洞的平均密度可以小於水的密度。
黑洞的密度有可能比水還低，現在你信了嗎？
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