黑洞的奇点体积极小,究竟有多小?
我们的“空中课堂”栏目发布了一篇介绍黑洞的文章《黑洞——宇宙中神秘的存在》,文中提到黑洞中央的奇点“体积极小,密度趋于无穷大” 。有读者提问:“请问体积极小是什么概念?像月球或者小行星大小?像网球大小?还是就是趋近于无穷小?”
答案是:就是趋近于无穷小。
这位读者之所以提出这个问题,可能是混淆了视界和奇点的概念。黑洞的简化物理模型,是中央一个奇点,周围围绕着一个球形的“结界”,称为视界。奇点是趋近于无穷小的一个点,视界则是有一定大小的。在视界内,逃逸速度大于光速,所以任何物质,乃至光,都不能从视界里逃出来。我们通常认为的黑洞,应该是整个视界的范围。
所以,如果这位读者认为视界有可能像网球大,甚至有可能像月球或者小行星大,是有道理的。
但是,奇(qí)点,顾名思义,是一个很奇异的点,它的奇异,很大程度上就是因为它的体积趋于无穷小,密度趋于无穷大。这样的一个点,其情况实在是太极端了,我们现有的物理理论甚至无法研究它。
另外,即便是按视界大小算,一个普通的黑洞想达到月球那么大,也是挺困难的。《黑洞——宇宙中神秘的存在》介绍了视界大小的计算方法。视界的半径是史瓦西半径,史瓦西半径Rs可以用一个简单的公式求解:
式中G为万有引力常数,m为天体质量,c为光速。
根据此公式可以算出,太阳的史瓦西半径为3km,也就是说,要把相当于地球体积130万倍的太阳,压缩到半径仅3km的一个球里,才能形成黑洞。月球半径是1700多千米,如果一个黑洞有月球那么大,它的质量就得相当于大约570(1700千米除以3千米)倍太阳质量。目前已知的最大质量恒星,也远没有这么大质量。所以,恒星级的黑洞,一般都比较小。
真正巨大的黑洞,是星系中央的黑洞,其质量可以达到数百万倍乃至数十亿倍太阳质量。比如,著名的M87星系中央的黑洞据估计质量约为65亿倍太阳质量,大家可以根据前文所说算一算这个黑洞的视界有多大。