黑洞是广义相对论计算的结果,也是天体物理学中最迷人的天体之一。
黑洞的尺寸可以从很小一直到几乎无限,经常有人提出这样的问题,多少大的黑洞会怎么样。
离我们最近的恒星是太阳,太阳的半径是696300公里,总质量是1.98×10的27次方吨,平均密度是水的1.4倍。我们暂且把太阳的质量看作1,以此作为衡量黑洞大小的最基本度量,来计算不同大小黑洞的情况。
下面这张表就是用Excel计算出的,各种大小黑洞的一览表。该表经过仔细计算并且校对过,一共22种黑洞。没有列出的部分,大家可以用插值的方法估算。
第1类黑洞:太阳质量黑洞。
太阳等质量黑洞,在大自然中是不存在的。太阳演化的最后阶段经历超新星爆发以后,会形成一颗白矮星。太阳黑洞的密度是中子星的2~20倍。
第2类黑洞:恒星黑洞。
大质量恒星在燃尽以后经历超新星爆炸,如果剩下的星核的质量大于太阳质量的三倍,会溃缩成黑洞。这是自然演化中,形成黑洞的质量下限。它的半径在9千米左右。
第3类黑洞,银河系中心大黑洞。
这个黑洞的质量有不同说法,有资料说是太阳质量的400万倍,也有资料说是650万倍太阳。所以,这两种大小的黑洞都在计算列表里。650万倍太阳质量黑洞,半径是大约2000万公里,接近水星的轨道半径。
第4类黑洞,密度与水相当。
由于黑洞的视界半径与质量成正比,而体积是半径的三次方,所以黑洞越大,密度越低。13500万倍太阳质量的黑洞,视界2.66个天文单位,在火星和木星轨道中间,密度和水相当,超过这个质量的黑洞密度小于水。
第5类黑洞,密度与空气相当。
空气的密度是1.293千克每立方米。38亿个太阳质量的大黑洞的密度,与此相当。其视界半径为75个天文单位,已经超过冥王星轨道。
第6类黑洞,65亿倍太阳质量黑洞,M87。
这就是2019年4月10号公布的,由视界事件望远镜拍摄的第1个有照片的黑洞。这个大黑洞的位置在本超级星系团的中心。它的半径是130个天文单位,如果放在太阳系,会把大部分的柯伊伯带包括进去。它的密度相当与海拔6000米左右的空气密度。
本次实际上拍摄到的是,在黑洞周围绕着黑洞高速运转的气体发出的光谱。
高速旋转的物质会形成一个盘状,分布在黑洞的周围,类似于环绕土星轨道的光环那样,被称为吸积盘。吸积盘的物质在向黑洞表面堕落的过程中,会发出强烈的辐射。这些辐射,被地球上的射电望远镜接收到,经过两年多的数字化处理,就合成了今天我们所看到的图像。
这颗距地球5000万光年的超级黑洞,位于本超级星系团的中央。而这颗超级黑洞,本身又是一个庞大的椭圆星系的主宰者。
本星系团是一个拥有2000个星系的庞大集团。银河系即为其中一员。银河系围绕着M87所在的椭圆星系做圆周运动。
而本星系团又隶属于一个更加庞大的本超级星系团。
而本超级星系团,仅仅是辽阔宇宙的一小部分。
第7类黑洞,200亿倍太阳质量黑洞,是人类观测到的已知最大的黑洞。
由于理论上黑洞的质量是没有上限的,人类可能会观测到更大的黑洞。所以多算了几组。
第8类黑洞,存在于理论计算中,但是在实际中还没有被观测到,然而特别有意义的一万五千亿倍太阳质量黑洞。
15,000亿倍太阳质量的黑洞,视界边缘的潮汐力,刚好和地球表面的引力相等。这样的黑洞直径是0.94光年。直径大于此的黑洞,都是可以安全靠近的黑洞。同样的数据也可以适用于虫洞,可供安全穿越的虫洞最小直径就是0.94光年。
站在这样的黑洞的视界表面,和我们站在地球表面没有什么区别。有科学家认为在黑洞的视界表面热量会从低温区向高温区流动,如果这一说法成立,那么在黑洞的视界表面将违反热力学第二定律。
第9类黑洞,与银河星系大小相等的黑洞。
视界表面的引力已经低到几乎为零,同时密度也极低。
黑洞的特点是:越大越安全,境界堪比世外桃源。
如果宇宙存在着超级文明,那一定生活在大黑洞的视界表面。
黑洞的视界表面,时间静止,热力学第二定律被逆转,人永生不会衰老。
有科学家猜测,每一个黑洞里都是一个小宇宙。人类所在的整个宇宙,本身很可能就包裹在一个巨大的黑洞里面,可观测宇宙的边界很可能就是黑洞视界的内表面。而人类所在的地球的位置,恰恰是在奇点,所以从地球上看过去南北两个天球,观测到的宇宙空间的大小相等。
可以穿越的是虫洞,不是黑洞。
在科幻电影《星际穿越》里面,出现在木星附近,可被穿越的是虫洞,不是黑洞。黑洞没有出口,虫洞有出口。虫洞两边,连接着不同的空间。