黑洞的密度并不是恒定的,甚至不像白矮星和中子星这种致密天体一样质量越大密度越大。

文章作者:管理一号 | 2020-02-07
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当说到密度最大的时分,咱们总是想到黑洞,由于在许多的科普书里,都似乎告知咱们黑洞是国际中密度最大的天体,甚至在许多人的印象中,黑洞便是一个密度无限大的天体。

黑洞是宇宙中密度最大的天体吗?不

但我们往往忽略了一点,科普书里说的那个密度无限大的其实并不是黑洞,而是黑洞里的奇点!

电子简并态

科普书里的精确描绘是:当一颗恒星完毕核聚变,没有能量持续抗衡引力坍缩,恒星会在引力效果下向内坍缩,当其剩余质量小于钱德拉塞卡极限(约1.44倍太阳质量),恒星会在电子简并压效果下中止坍缩,成为一颗电子简并态的白矮星。

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中子简并态

当其剩余质量大于钱德拉塞卡极限,恒星会在强壮的引力效果下突破电子简并压,使核外电子压入原子核内,与质子合并成为中子,当其质量小于奥本海默极限(最高约3.2倍太阳质量),恒星会在中子简并压效果下停止坍缩,成为一颗中子简并态的中子星。

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奇点

当恒星的剩下质量大于奥本海默极限,恒星会在强大的引力作用下打破中子简并压持续向内坍缩,而此时将没有任何已知的物理机制能阻挠恒星持续坍缩,它最终会坍缩成一个无限小的点——奇点。因为奇点无限小,因而它的密度是无限大的。

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视界之内——黑洞

依据广义相对论,当恒星塌缩到一定半径的时候,其表面的逃逸速度将到达光速,然后构成一个光速不能逃离的时空区域,科学家称之为事情视界,简称视界。咱们平常听到的黑洞就是视界包裹着的那个时空区域。而视界的半径并非是无限小的,因而它的密度也并不是无限大。依据科学家的预算,一颗一倍太阳质量的白矮星的半径约为数千公里,而一颗1倍太阳质量的中子星半径则只有约10公里,一个1倍太阳质量的黑洞半径则只有约3公里。看起来黑洞跟中子星的大小差不太多,在同一个量级,因而照这么看,黑洞依然是世界中密度最大的天体。

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黑洞密度之谜

然而,跟我们了解的一般的物质不同,乃至跟一般的大质量天体也不同,黑洞的密度并不是稳定的,乃至不像白矮星和中子星这种致密天体相同质量越大密度越大。黑洞是反过来,质量越大密度反而越小……

这是怎么回事呢?咱们知道,一般的物质,在相同的密度下,质量会与体积成正比,也就是质量添加,体积会等比例添加。但黑洞不一样,因为根据广义相对论,黑洞的视界半径有个很古怪的特点,就是它与质量是成正比的。这怪异的成果由史瓦西半径公式给出:

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这公式看起来没什么特别的,由于假如把里边的c换成v,然后改换一下字母方位,它实际上就是一条逃逸速度公式。然而,当告知你这是一个天体的半径计算公式,这就很怪异了,你发现这公式里质量M与半径R是成正比的!假如你还没看出来哪里怪异,那你再看看球体积公式:

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体积与半径3次方成正比,而史瓦西半径公式里质量与半径成正比……再依据密度公式:ρ=m/V,这意味着,相同质量下,体积越大密度越小。当你把三条公式放一同就会发现,质量添加1倍,体积将添加3次方倍,很显然,密度就变小了。因而对于一个以视界界定的黑洞,它的质量越大,密度就越小。

而黑洞在理论上是没有上限的,不过在现实中,它的质量上限会受周围物质总量所限制。科学家现在现已发现高达数百亿倍太阳质量的黑洞了,根据公式核算,这些黑洞的密度甚至比空气还低……

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