如果向太空中注水,需要多少水才会使水球变成黑洞?

理论上,任何物质聚集在一起都能形成黑洞,即便是水也是如此,前提是质量足够大。那么,需要多少水聚集在一起才会变成黑洞呢?

关于这个问题,需要来了解一下宇宙中各种形态的天体是怎么来的。

在宇宙中,有些天体是岩质行星,有些是气态巨行星,有些是褐矮星,有些是恒星,决定天体性质的关键点在于质量。天体最初都是源自于星云,聚集了多少质量的星云决定了天体会演变成哪种类型。

在宇宙最初形成的前几分钟,产生了大约75%的氢和25%的氦(均为质量占比),它们构成了如今整个宇宙的物质基础。其他更重的元素产生都与恒星有关,例如,恒星核聚变、超新星爆发时的中子俘获过程、双中子星碰撞。但与氢和氦相比,其他元素的总质量占比微不足道,只有大约1%(如今的宇宙)。

在星云中,大部分物质聚集在一起形成恒星,因为它们的质量足够大,可以让氢发生核聚变反应。星云的边角料则会形成行星(以及其他更小的天体),如果星云聚集较少,则会形成岩质行星;如果质量足够大,天体将会束缚住较轻的氢和氦,从而形成气态巨行星;如果质量超过木星13倍,则会形成褐矮星。

至于宇宙中普遍存在的低质量黑洞,它们的前身是大质量恒星。在大质量恒星的核心中产生铁元素之后,进一步的核聚变反应会大量消耗能量,从而导致恒星无法产生足够强的辐射压来对抗引力坍缩,这会使核心被重力压缩成黑洞。

只要质量足够大,无论是电子或者中子简并压力都无法阻挡引力坍缩。理论上,恒星突破中子简并压力坍缩成黑洞的质量极限为3倍太阳质量,这就是奥本海默极限。如果把大质量恒星的核心物质全部替换成水,结果也会坍缩成黑洞。

那么,3倍太阳质量的水有多少呢?

一个太阳质量相当于33.3万个地球质量,所以奥本海默极限约为100万倍地球质量。一个地球质量约为6亿亿亿千克,所以需要让600万亿亿亿千克的水聚集在一起才会坍缩成黑洞。

假设这些水的平均密度仍然为1000千克/立方米,那么,这个水球的半径可达113万公里,相当于太阳的1.6倍,地球的175倍。不过,坍缩成黑洞之后,由于剧烈压缩,黑洞的史瓦西半径只有不到9公里。