超大质量黑洞的平均密度可能比水的密度还低，你相信吗？
接下来我们用数据说话，看看是真是假。
超大质量黑洞M87*的平均密度竟然比水低？
黑洞是什么样子的？
许多年以来，大家对黑洞这种奇特的天体并不陌生。尽管它一直只存在于科学家们繁杂的公式与玄幻的描述中，但公众早已经通过各种各样的PS图片知道了它的样子：
一个黑乎乎的窟窿。
艺术家想像黑洞的样子
它真是一个窟窿吗？之前没人知道，也没人真实地见过。
1784年11月，英国天文学家约翰·米歇尔提出这样一个观点：当一颗恒星的密度与太阳相当、直径又比太阳大500倍时，这时候它的引力会变得非常大，连光线都没办法逃离它的表面，它就会变成一种“暗星”。我们从外界无法直接看到它，但可以通过周围其它星球的引力关系找到这颗恒星的存在。
这就是科学界已知的对黑洞最早的描述。
1915年，爱因斯坦在他的广义相对论中提出场方程，从而证明了确实有可能存在这样一种天体，它的引力可以改变光的路线，甚至使宇宙中速度最快的光都无法逃脱。爱因斯坦还在他的场方程中描述了“点质量”天体与球形质量天体的引力场。
广义相对论以时空曲率解释黑洞的引力场
1916年，施瓦兹希尔德对爱因斯坦场方程进行了解释，他认为当一颗恒星质量足够大时，有可能坍缩到一个点，而由于这个点拥有极大的质量，其引力可以使其周围一定半径范围内的光都无法逃脱，这个半径被称为Schwarzschild半径（史瓦西半径）：
R = 2GM / c^2
在这个公式中：R为光速逃逸的半径；M指黑洞质量；G为引力常数；c为光速。
于是，尽管谁也没见过黑洞真正的样子，但科学界基本达成了这样的共识：黑洞就是一个质量极大的天体，它的质量集中在一个体积接近于0的奇点上，而在这个史瓦西半径为R的球形范围内，光线都无法逃逸。这个球体的表面被称为事件视界，你永远不知道视界里边是什么样子，它是一个黑洞。
黑洞的半径就是史瓦西半径
现在我们知道了：黑洞是一个黑暗的区域，它的中心有一个质量极大的奇点。
黑洞到底有多重？
天文学家们认为黑洞是大质量恒星因引力坍塌形成的致密天体。
并不是所有的恒星都能坍塌成黑洞，如果恒星的质量不够大，它只能坍塌成白矮星或者中子星，这取决于恒星坍塌物质的引力能不能够大于中子之间的排斥力，如果这个力小，恒星就变成中子星；如果这个力足够大，恒星就会进一步坍塌成黑洞。
一般认为，当一颗恒星的质量大于太阳质量的20倍时，它才有可能在超新星爆发后坍缩为一个黑洞。
所以黑洞的最低质量应该是太阳质量的20倍以上，低于这个值的最多只会是中子星。
大质量恒星在超新星爆发后坍缩为黑洞
黑洞的体积有多大？
我们在前文中讲了黑洞的定义，由此我们可以得出，黑洞的大小取决于它的史瓦西半径，而史瓦西半径又取决于其奇点的质量大小。
黑洞质量与体积大小的关系就是史瓦西方程。
按照史瓦西方程计算的结果，如果地球被压缩直到变成黑洞，它的直径约为17.4毫米，跟手指头差不多大；如果太阳被转换成黑洞，那将大约5.84公里宽，大概相当于一个村子大小。当然，无论是地球还是太阳未来都不可能变成黑洞。
超大质量黑洞的体积相当庞大，我们银河系中心的黑洞射手座A*约为我们太阳质量的430万倍，半径约为1270万千米；而天文学家们刚刚拍下照片的处女座星系中心M87*黑洞则有相当于65亿倍太阳质量，视界半径达到177亿千米。
黑洞射手座A*位于银河系中心，它的质量为太阳的430万倍
根据球体的体积公式：V=(4/3)πr^3
由此我们可以计算出：
射手座A*黑洞的体积为：5.32 × 10^30 （立方米）
M87*黑洞的体积为：2.32 × 10^40 （立方米）
黑洞的密度是怎样的呢？
由于黑洞的奇点体积趋向于无限小，所以无论黑洞的质量有多大，它奇点的密度都趋向于无限大。但对于不同质量的黑洞，它的平均密度却相差甚远。
我们已知太阳的质量为2× 10^30 （千克）
射手座A*黑洞是太阳质量的430万倍，为：8.6 × 10^36 （千克）
M87*黑洞的质量是太阳质量的65亿倍，为：1.3 × 10^43 （千克）
以黑洞事件视界范围为体积来计算黑洞的平均密度，则：
射手座A*黑洞的平均密度为：1.62 × 10^6 （千克/立方米）
M87*黑洞的平均密度为：560 （千克/立方米）
M87*黑洞照片，外围的光环是它的吸积盘
我们知道水的密度为1000千克/立方米，所以银河系中心射手座A*黑洞的平均密度是水的1620倍，而位于处女座M87椭圆星系中央超大质量黑洞M87*的平均密度则比水的密度还要低！
总结：
黑洞的平均密度定义为黑洞的质量除以其史瓦西半径内的体积。因为史瓦西半径与其质量成正比，而球形物体的体积与半径的立方成正比，因此黑洞的密度与质量的平方成反比，因而更高质量黑洞有较低的平均密度。当黑洞的质量足够大时，它的事件视界的球体体积也要大得多，因此超大质量黑洞的平均密度可以小于水的密度。
黑洞的密度有可能比水还低，现在你信了吗？
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