黑洞,在通常的认识里,是一种密度极大的天体,其引力可以吞噬周围的一切,这种巨大的引力场甚至连光都无法从其表面逃逸出去。
但事实上,只要黑洞的质量足够大,它的密度可以很低。
但要强调的是,处于稳定状态的黑洞的结构,一般认为是由质量巨大的中心与周围空无一物的天区构成。在这个天区内的一定范围内的逃逸速度需要超过光速,因而光也无法逃脱,是难以观测到的,被称为“视界”。对于中心结构(通常认为是一个奇点),讨论其密度没有意义。所以这里所谈的“密度”,就是指整个视界内的物质的平均密度。
在保证逃逸速度一定的情况下,物体的质量要与其半径成正比,黑洞当然也不例外。所以,如果物体的质量一定,就可以计算出其要形成黑洞的半径会是多大——这个半径被称作史瓦西半径。
由于史瓦西半径与质量成正比,这就意味着:如果黑洞质量增大为原来的2倍,那么其半径就可以变成原来的2倍,因而体积会变为原来的8倍大,但密度=质量/体积,所以密度就可以降为原来的四分之一。
现在就可以明确,黑洞的质量越大,其密度就可以越低。而且由于其半径也会变大,会导致其视界周围的潮汐力变弱,所以,对于那些超大质量黑洞,你在其边缘旅行时可能并不会感到过于巨大的潮汐力,只是在深入其中的过程中潮汐力才会越来越大,在接近其中心的过程中,你才会有被撕碎的危险。
按照上面谈到的计算方式,粗略估算就可以知道,当黑洞质量在4亿个太阳质量以上时,其平均密度就可以比水还要低了。黑洞质量如果再大,到达太阳的100亿倍的话,其半径就可以与银河系的数量级相当,平均密度甚至就和空气差不多了。
继续推演的话,就会有一个有趣的结果:当黑洞的质量与宇宙总质量相同时,其史瓦西半径恰好也和目前观测到的宇宙半径相当。所以有科学家推导了一个“黑洞宇宙模型(black hole cosmology)”,认为整个宇宙就可以看作是一个巨大的黑洞,而我们就活在这个黑洞的视界之中。不过,这并非主流观点。
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