黑洞的半径能超过1光年吗？有什么依据？

按照目前的天文观测结果来看，我们的宇宙中黑洞的半径不太可能超过1光年。这是依据天文观测所发现的宇宙年龄、宇宙各向同性、宇宙加速膨胀和史瓦西半径公式计算得到的1光年黑洞质量联合分析得到的，下面我们详细分析一下。

半径1光年的黑洞有多大？结果超乎你想象！

既然要知道黑洞半径能否超过一光年，我们自然要先确定1光年的黑洞包含多大的质量，要计算黑洞质量，当然是用计算黑洞大小的史瓦西半径公式。这是德国天文学家卡尔·史瓦西求解广义相对论的引力场方程时得到的。

但是这条公式是根据质量计算半径的，因此我们要对它进行一下变换，简单的移项后得到：M=Rc^2/2G，这就是我们要的黑洞质量公式。其中M为黑洞质量，R为黑洞半径即史瓦西半径，c是光速常数，G是万有引力常数。这样我们代入题目中的1光年=365.25x24x3600x299792458=9.46x10^15米，得到黑洞质量为：3.2x10^12倍太阳质量！即3.2万亿倍太阳质量……

相比之下，包含了暗物质晕的银河系最大质量估计为4.5×10^12。也就是说，这个黑洞要与包含暗物质晕的整个银河系的质量相当！而包含了暗物质晕的银河系半径约为32.6万光年！把半径30万光年的物质压缩到1光年内，这可能吗？虽然这并非绝对不可能，但存在诸多困难。

宇宙各向同性——宇宙早期难以产生极端质量的引力坍缩

在对宇宙微波背景辐射的测量中，科学家发现它异乎寻常的均匀，这意味着在宇宙膨胀的早期，宇宙中的能量分布是极度均匀的，否则在早期宇宙膨胀的过程中，由于过早地在部分区域产生大规模的引力坍缩，从而导致宇宙的不均匀度在膨胀中被放大。

目前有理论认为，在宇宙大爆炸早期的密度涨落可能会产生一些黑洞，这种黑洞被称为原初黑洞。但理论上它们的质量上限为10万倍太阳质量左右，距离3万亿还差的有点远……

有限的宇宙年龄——宇宙诞生至今仅138.2亿年

虽然把半径30万光年的物质压缩到1光年内似乎是天方夜谭，但假如有足够的时间，通过吞噬和合并，星系中心的黑洞似乎确实能吃光星系内的所有物质。甚至有理论认为，整个宇宙会在黑洞的合并中重新坍缩回奇点。

然而这些理论里，这个黑洞并合直至重新坍缩的过程无比漫长……远超目前的宇宙年龄。

绝望的未来——宇宙正在加速膨胀

假如仅仅是由于时间不足，我自然不能说半径1光年的黑洞无法形成。在过去，由于考虑到时间的对称性，很多科学家都认为宇宙最终可能会重新坍缩，这样，半径1光年的黑洞就必然会形成。然而，在上世纪末，两个研究小组在对遥远星系的测量时发现，大约在70亿年前，宇宙开始加速膨胀！也就是说，以现在宇宙膨胀的趋势，宇宙将无法重新坍缩回去。遥远的星系将慢慢远离，直到有一天，在整个可观测宇宙范围内，只剩下我们一个孤独的星系……至于在这个孤独的星系里，在宇宙膨胀的作用下，物质能不能全部坍缩进星系中心黑洞？这可能需要对加速膨胀更多了解才能确定。这也是我在开头只说“不太可能”而不是“不可能”的原因。

已知最大的黑洞——类星体TON 618

说了那么多，其实最重要的依据还是来自天文观测。目前人类发现质量最大的黑洞是来自104亿光年外的一个类星体TON 618，它被认为核心存在一个质量约为660亿倍太阳质量的黑洞。它的半径仅有0.02光年，距离1光年的半径还差50倍左右。

那么是否还有更大的呢？也许能有超越TON 618的，但要达到万亿倍太阳质量以上似乎是不可能的。

来自天文观测的限制——引力透镜

根据广义相对论，超大质量的黑洞将弯曲其周围的空间，这会使它周围的恒星和星系产生形变。1光年的黑洞将能产生较强的引力透镜效应（类似于凸透镜的放大效应），目前没有观测到这种现象。熟悉天文和物理的同学可能会想起，暗物质就是通过引力透镜发现的，天文学家发现某些星系的光度质量（根据其光学亮度和距离计算的理论质量）远小于其引力质量（根据引力透镜效应计算的理论质量）。加上星系旋转曲线异常（星系外围转动速度超出理论值），科学家提出了暗物质的概念来解释这些异常现象。你可能会想，会不会这些被认为存在大量暗物质的星系里，实际上是有一个万亿级的超级黑洞？

然而这同样是没有观测证据。由于超大质量天体不只是对背后的遥远星系产生引力透镜效应，对背后的恒星同样会产生强引力透镜效应，对于万亿级的黑洞，其质量已经相当于一个星系了，但它却在两个光年的空间内，这将会对其背后的恒星产生强引力透镜效应，理论上这是很容易被观测发现的，既然科学家宁愿虚构一种未知的暗物质，也不愿意解释为中心有个超级黑洞，那就证明观测证据并不支持这种假设。

后记

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