宇宙中有比黑洞密度更大的物质吗?

宇宙中有比黑洞密度更大的物质吗?

这个世界已经没有比黑洞密度更大的物质了。

当然黑洞的密度主要集中在其中心奇点上。那个奇点已经不是我们这个世界的物质,而是一个超越了我们四维时空的超时空状态,被认为体积无限小。

既然这个体积无限小,也就是不知道有多小。

我们人类现有理论认为,可以认识的最小物质就是普朗克尺度,这个尺度是1.6x10^-35米,比电子还小1万亿亿倍。小于这个尺度对于人类就没有意义。

这不是随便说说,而是有详细的数理逻辑论证,得到科学界的共识。

奇点已经超出了人类的认识范围,当然比普朗克尺度还小了。因此不管这个黑洞质量有多大或多小,其密度都无限大。

而且由于黑洞奇点把质量压缩到了无限小,就形成了一个无限曲率的半径,这个半径成球状包裹着奇点,在这个半径范围内,引力无限大,连光也无法逃逸。

这就是黑洞奇点密度之最的来源。

宇宙中有比黑洞密度更大的物质吗?

但有人认为黑洞不能光说奇点密度,还要包括史瓦西半径。

是的,从观测来看,黑洞还包括史瓦西半径这么个体积,史瓦西半径内空空如也,物质都坠落到了奇点,因此不能说黑洞本身密度无限大。

如果这么说,也无口厚非。

但黑洞史瓦西半径内物质无限坠落到中心奇点只是一个理论预测,那里面到底什么状态,并没有最后定论。

我们可以撇开这个问题不去纠缠,如果把奇点的质量平均摊薄到整个史瓦西半径会怎么样呢?

当然还是宇宙中密度最大的天体了。

宇宙中有比黑洞密度更大的物质吗?

这与黑洞的形成机理有关。

我们知道,当一颗恒星质量大于太阳0.5倍到8倍之间时,死后的尸骸会成为一颗白矮星。这颗白矮星是一个电子简并态高密度天体,体积约地球左右大小,密度在每立方厘米1~10吨,甚至更高。

而当一颗恒星大于太阳质量8倍以上30倍以下时,死亡之后会留下一颗中子星尸骸。中子星半径约10公里左右,依靠中子简并态支撑着引力压,密度可达10~20亿吨一个立方厘米。

再大的恒星灭亡后尸骸就是黑洞了。之所以成为一个黑洞,就是因为所有的物质都被压缩进了自己质量的史瓦西半径以内。

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史瓦西半径是什么?

史瓦西半径就是黑洞呈球形包裹着奇点的那个黑咕隆咚的球,在球的边界形成一个能被观测和不能被观测的临界面,这个面就叫黑洞的事件视界。

史瓦西半径计算公式为:R=2GM/C²

这里,R为史瓦西半径,G为引力常量,M为天体质量,C为光速。

这是1916年德国天文学家、物理学家卡尔·史瓦西,根据爱因斯坦发表不久的广义相对论,从爱因斯坦引力场方程中得到的一个解。

这个解就是任何质量都有一个自己的临界半径,在极端压力下,物质一旦被压缩到自己的临界半径,就会无限坠入到一个无限小的奇点,成为一个黑洞。

后来人们把这个临界半径叫做史瓦西半径,以纪念这位科学家。

宇宙中有比黑洞密度更大的物质吗?

一些科学家计算了电子简并压和中子简并压的承受能力,设定出了两个极限,即钱德拉塞卡极限和奥本海默极限。

钱德拉塞卡极限的意思是,当一个白矮星达到1.44倍太阳质量时,电子简并压就无法承受引力压力而继续坍缩成一个中子星;当一颗中子星质量达到约3.2倍太阳质量时,中子简并压就无法承受引力压力而继续坍缩成一个黑洞。

这就是说一个地球体积大小的白矮星质量不得超过太阳的1.44倍;一个10公里左右半径的中子星质量不得超过太阳的3倍左右。

宇宙中有比黑洞密度更大的物质吗?

而一个黑洞的史瓦西半径多大呢?

按照宇宙中最小的黑洞来计算,3倍太阳质量的黑洞史瓦西半径约9000米。这就是说,同等质量的黑洞史瓦西半径肯定比中子星半径要小。

从另一个角度讲,任何物质,只要被压缩进自己质量的史瓦西半径,都会变成黑洞。因此以中子星形态存在的天体半径是不可能小于自己质量史瓦西半径的,否则就只能以黑洞形式存在。

如此说来,即便黑洞质量平均分散充实在整个史瓦西半径中,密度也比中子星要大。

在我们宇宙,至密天体密度从低到高为白矮星、中子星、黑洞,因此无论怎么说,黑洞的密度都是宇宙中最高的。


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