Почему существуют черные дыры, масса которых всего в 6 раз больше массы Солнца?

Предположение, что черная дыра должна иметь очень большую массу, неверно. Важным параметром является то, сколько массы находится в радиусе (объем некоторой характеристики). В случае простых сферических объектов, если масса$M$сосредоточена в радиусе$2GM/c^2$тогда свет (или что-то еще в этом отношении) не может выйти из области$r< 2GM/c^2$, и регион$r< 2GM/c^2$называется черной дырой. Таким образом, для любого небольшого количества массы, если оно сконцентрировано в пределах (объема, характеризуемого а) достаточно малого радиуса, то это черная дыра. В принципе, у вас может быть черная дыра с массой человеческого тела, но, конечно, ее радиус будет смехотворно мал. Это не означает, что все астрофизические звезды, независимо от их массы, превратятся в черные дыры, потому что негравитационные силы внутри звезд могут препятствовать концентрации массы звезды до требуемого малого радиуса.$2GM/c^2$если масса звезды недостаточно велика. Однако, если масса звезды достаточно велика (как описано в пределе Чандрашекхара Толмана-Оппенгеймера-Волкова$^*$), масса звезды достигнет стадии, когда она ограничена радиусом$2GM/c^2$, и она станет черной дырой.

Редактировать

Обратите внимание, что соответствующий параметр$M/r$, нет$M/r^3$. Радиус (невращающейся незаряженной) черной дыры с массой$M$масштабируется как$r_s\sim M$. Другими словами, плотность черной дыры с массой$M$масштабируется как$M/r^3_s\sim 1/M^2$. Таким образом, если у вас есть черная дыра с достаточно малой массой (что соответствует черной дыре с достаточно малым радиусом), вы можете получить сколь угодно высокую плотность. Нет никакого фундаментального ограничения на максимальную плотность как таковую, кроме любых ограничений, которые могут существовать на то, насколько маленькой вы можете сделать черную дыру в квантовой теории гравитации.

$^*$Спасибо @CharlesFrancisза это исправление. Предел Чандрашеккара — это предел максимальной массы стабильного белого карлика, который может превратиться либо в нейтронную звезду, либо в черную дыру, если масса превышает этот предел. Однако предел Толмена-Оппенгеймера-Волкова — это предел максимальной массы нейтронной звезды, при превышении которого она превращается в черную дыру.

что делает черную дыру, так это то, сколько массы втиснуто в пространство , что определяет, насколько сильна сила гравитации на ее поверхности . Это, в свою очередь, определяет его скорость убегания ; как только скорость убегания сравняется со скоростью света, образуется черная дыра.

Если бы вы сжали землю до размера горошины, поверхностная гравитация этой горошины была бы достаточно велика, чтобы образовалась черная дыра.

Если вы сожмете всю массу Солнца в сферу диаметром 6 километров или меньше, образуется черная дыра.

Сегодня во Вселенной гравитация — единственная сила, способная сжать материю настолько, чтобы сама по себе образовалась черная дыра. Минимальный размер образовавшейся черной дыры составляет где-то между 1,5 и 3 массами Солнца.

Черная дыра такого размера образуется, когда у звезды заканчивается топливо, и она охлаждается достаточно, чтобы гравитация могла преодолеть давление, вызванное теплом внутри звезды.

(Поскольку Земля содержит так мало массы по сравнению с 1,5 массами Солнца, гравитация никогда не сможет сжать Землю до размера горошины.)