为什么黑洞有质量上限？
很多人都有一个疑问，为什么黑洞不能无限大？它难道没有一个“长不大的天花板”吗？事实上，黑洞确实存在质量上限，只是这个上限并不是一个绝对的、一成不变的数字，而是受到多种因素影响，并且根据我们目前理解的物理学，这个上限也并非终点，而是我们认知边界的体现。
要理解黑洞的质量上限，我们得先从它的形成说起。目前我们最主流的理论认为，大质量恒星在生命终结时，如果核心质量足够大，就会发生引力坍缩，形成恒星级黑洞。这个过程本身就决定了恒星级黑洞的起始质量有一个范围。
恒星级黑洞的“出生上限”
在恒星演化的过程中，核心会不断聚变，产生能量来抵抗自身的引力。当恒星的核心耗尽燃料，停止核聚变时，支撑它的压力消失了，引力就会占据上风。如果核心的质量在太阳质量的数倍以上，它就会进一步坍缩。
但是，这里就有一个关键的“卡关”点：中子星的简并压力。在中子星形成的过程中，物质被压缩到极致，质子和电子结合形成中子。这些中子之间存在一种叫做“中子简并压力”的量子力学效应，它们就像一群紧密挤在一起的“机器人”，试图抵抗进一步的压缩。
对于质量较小的恒星核心，中子简并压力足以抵抗引力，形成一颗中子星。但如果核心的质量超过了某个临界值，我们称之为奥本海默沃尔科夫极限（OppenheimerVolkoff limit），那么中子简并压力就不足以抵抗引力了。这个极限大致在太阳质量的2到3倍之间，但具体的数值还会受到中子星内部物质状态方程的影响，所以不是一个精确到个位数的数字。
一旦核心质量超过了这个极限，引力就会压倒一切，物质会继续坍缩，直到形成一个奇点，一个密度无限大、体积无限小的点（根据经典广义相对论的描述），被视界包裹起来，这就是一个恒星级黑洞。
所以，从恒星演化形成的角度来看，恒星级黑洞的“出生”就有一个质量上限，这是由中子星能够承受的最大质量决定的。那些质量不足以形成黑洞的恒星，最终会变成白矮星或者中子星。
生长之路上的“绊脚石”
但黑洞并非只通过恒星坍缩产生，它们还可以通过吸积（吞噬周围的物质）和并合（与其他黑洞或致密天体碰撞融合）来增长质量。那么，在它们成长的过程中，又有什么因素限制了它们的质量呢？
1. 吸积盘的辐射压力和角动量
黑洞在吸积物质时，物质通常不会直接掉进黑洞，而是形成一个围绕黑洞旋转的盘状结构，称为吸积盘。在吸积盘中，物质在引力作用下加速，摩擦生热，发出强烈的辐射。
辐射压力： 这种强烈的辐射会产生一种向外的压力，即辐射压力。当黑洞的吸积率很高时，吸积盘产生的辐射压力会变得非常强大，它会把一部分物质推开，阻止物质过于快速地落入黑洞。这就好比一个在泥潭里挣扎的人，泥潭的粘稠度限制了他下陷的速度。
角动量： 物质在落入黑洞之前，通常都带有一定的角动量，也就是它在旋转。这种角动量使得物质在靠近黑洞时，会围绕黑洞旋转，而不是径直掉落。只有当物质的角动量足够小，或者它与吸积盘中的其他物质发生相互作用，损失了角动量后，才能真正落入黑洞。
这两种效应结合起来，就导致了黑洞的吸积速率有一个上限，这个上限被称为爱丁顿极限（Eddington limit）。当黑洞的吸积速率接近或超过爱丁顿极限时，吸积过程会变得不稳定，辐射压力会“吹散”物质，限制了黑洞的快速增长。
2. 宇宙中的物质供应
即使黑洞能够克服吸积盘的限制，它也需要有物质可供吞噬。宇宙中的物质分布并不是均匀的，特别是在星系外围或者星系之间。黑洞要增长质量，就需要周围有足够多的气体、尘埃、恒星或者其他黑洞。
对于那些位于稀疏区域的黑洞，它们的生长速度自然会受到物质供应的限制。
3. 宇宙演化和黑洞并合
宇宙在不断演化，恒星的形成和死亡也在变化。某些时期，例如早期宇宙，可能物质更丰富，更有利于黑洞的快速生长。而随着宇宙的演化，星系的结构、恒星的丰度都会改变，这也会影响黑洞增长的环境。
黑洞之间的并合也是增长质量的重要方式，尤其是对超大质量黑洞而言。然而，并合事件本身也是有限的，它们发生在星系碰撞合并的过程中，并且需要黑洞在同一个区域。
超大质量黑洞的“另一层上限”
我们现在知道，在几乎所有大质量星系的中心，都存在着超大质量黑洞，它们的质量可以达到太阳质量的数百万到数十亿倍。这些黑洞的形成机制可能与恒星级黑洞有所不同，目前有几种主要的理论：
直接坍缩模型： 认为在早期宇宙中，巨大的气体云可以直接坍缩形成种子黑洞，质量可能在太阳质量的数万到数十万倍。
种子黑洞合并模型： 认为由第一代大质量恒星形成的黑洞（拥有数十到数百个太阳质量），通过快速并合和吸积，逐渐成长为超大质量黑洞。
无论哪种形成方式，超大质量黑洞在成长过程中同样会受到吸积盘辐射压力的限制。然而，它们似乎可以超越恒星级黑洞的“爱丁顿极限”，达到一个所谓的超爱丁顿吸积（SuperEddington accretion）状态。在这种状态下，黑洞可以以非常高的速率吞噬物质。
但是，即便如此，超大质量黑洞的质量也并非无限。有理论认为，当黑洞的质量非常大时，它周围的视界会变得非常广阔，而能够直接“喂饱”它的物质（例如直接掉入黑洞的气体流）可能变得越来越稀少。
关于“终极上限”的猜想
那么，是否存在一个宇宙中任何黑洞都无法超越的“终极质量上限”呢？目前，这个问题还没有明确的答案，也没有确凿的观测证据能够指向一个具体的数值。
一些理论物理学家提出了一些可能的上限来源：
普朗克质量： 这是量子力学和广义相对论结合起来推导出的一个基本质量单位，大约是10的8次方千克。但这个值非常小，和我们讨论的恒星级或超大质量黑洞完全不是一个数量级。我们不认为黑洞的质量会受到普朗克尺度的直接限制，因为它是一个宏观天体。
宇宙的年龄和物质总质量： 宇宙存在了大约138亿年，并且其中包含的总物质质量是有限的。如果一个黑洞要变得无限大，它需要吞噬无限多的物质，这在有限的宇宙中是不可能的。
引力波导致的能量损失： 质量巨大的旋转黑洞会向外辐射引力波，这会带走它的能量和角动量，从而限制其增长。理论上，当黑洞质量达到非常巨大的程度时，引力波辐射可能成为一个显著的限制因素，尽管它可能不足以“封死”黑洞的增长。
新的物理学理论： 也许我们目前的物理学理论（广义相对论和标准模型）在描述黑洞最极端的情况下会失效，需要一种新的理论，例如量子引力理论，来解释是否存在一个绝对的质量上限。
结论：一个动态的概念
总而言之，黑洞并没有一个像“100亿个太阳质量”这样死的、绝对的质量上限。我们所谈论的“上限”，更多的是在特定形成机制或特定环境下的“生长瓶颈”或“理论预测值”。
恒星级黑洞 的上限受到中子星能够承受的最大质量所限制。
所有黑洞 在吸积物质时，受到吸积盘辐射压力和角动量的限制，导致爱丁顿极限。
超大质量黑洞 似乎能打破这个限制，但仍可能受到物质供应、宇宙演化以及可能的新物理学原理的制约。
科学家们正在通过观测更遥远的、更古老的黑洞，以及通过更精确的引力波探测数据，来寻找这些“上限”的蛛丝马迹。也许未来某一天，我们会发现一个真正意义上的“黑洞质量天花板”，也或者，我们会发现黑洞的增长潜力比我们现在想象的还要惊人。对黑洞质量上限的研究，正是人类不断探索宇宙奥秘、挑战现有物理学理论边界的绝佳例证。
要理解黑洞的质量上限，我们得先从它的形成说起。目前我们最主流的理论认为，大质量恒星在生命终结时，如果核心质量足够大，就会发生引力坍缩，形成恒星级黑洞。这个过程本身就决定了恒星级黑洞的起始质量有一个范围。
恒星级黑洞的“出生上限”
在恒星演化的过程中，核心会不断聚变，产生能量来抵抗自身的引力。当恒星的核心耗尽燃料，停止核聚变时，支撑它的压力消失了，引力就会占据上风。如果核心的质量在太阳质量的数倍以上，它就会进一步坍缩。
但是，这里就有一个关键的“卡关”点：中子星的简并压力。在中子星形成的过程中，物质被压缩到极致，质子和电子结合形成中子。这些中子之间存在一种叫做“中子简并压力”的量子力学效应，它们就像一群紧密挤在一起的“机器人”，试图抵抗进一步的压缩。
对于质量较小的恒星核心，中子简并压力足以抵抗引力，形成一颗中子星。但如果核心的质量超过了某个临界值，我们称之为奥本海默沃尔科夫极限（OppenheimerVolkoff limit），那么中子简并压力就不足以抵抗引力了。这个极限大致在太阳质量的2到3倍之间，但具体的数值还会受到中子星内部物质状态方程的影响，所以不是一个精确到个位数的数字。
一旦核心质量超过了这个极限，引力就会压倒一切，物质会继续坍缩，直到形成一个奇点，一个密度无限大、体积无限小的点（根据经典广义相对论的描述），被视界包裹起来，这就是一个恒星级黑洞。
所以，从恒星演化形成的角度来看，恒星级黑洞的“出生”就有一个质量上限，这是由中子星能够承受的最大质量决定的。那些质量不足以形成黑洞的恒星，最终会变成白矮星或者中子星。
生长之路上的“绊脚石”
但黑洞并非只通过恒星坍缩产生，它们还可以通过吸积（吞噬周围的物质）和并合（与其他黑洞或致密天体碰撞融合）来增长质量。那么，在它们成长的过程中，又有什么因素限制了它们的质量呢？
1. 吸积盘的辐射压力和角动量
黑洞在吸积物质时，物质通常不会直接掉进黑洞，而是形成一个围绕黑洞旋转的盘状结构，称为吸积盘。在吸积盘中，物质在引力作用下加速，摩擦生热，发出强烈的辐射。
辐射压力： 这种强烈的辐射会产生一种向外的压力，即辐射压力。当黑洞的吸积率很高时，吸积盘产生的辐射压力会变得非常强大，它会把一部分物质推开，阻止物质过于快速地落入黑洞。这就好比一个在泥潭里挣扎的人，泥潭的粘稠度限制了他下陷的速度。
角动量： 物质在落入黑洞之前，通常都带有一定的角动量，也就是它在旋转。这种角动量使得物质在靠近黑洞时，会围绕黑洞旋转，而不是径直掉落。只有当物质的角动量足够小，或者它与吸积盘中的其他物质发生相互作用，损失了角动量后，才能真正落入黑洞。
这两种效应结合起来，就导致了黑洞的吸积速率有一个上限，这个上限被称为爱丁顿极限（Eddington limit）。当黑洞的吸积速率接近或超过爱丁顿极限时，吸积过程会变得不稳定，辐射压力会“吹散”物质，限制了黑洞的快速增长。
2. 宇宙中的物质供应
即使黑洞能够克服吸积盘的限制，它也需要有物质可供吞噬。宇宙中的物质分布并不是均匀的，特别是在星系外围或者星系之间。黑洞要增长质量，就需要周围有足够多的气体、尘埃、恒星或者其他黑洞。
对于那些位于稀疏区域的黑洞，它们的生长速度自然会受到物质供应的限制。
3. 宇宙演化和黑洞并合
宇宙在不断演化，恒星的形成和死亡也在变化。某些时期，例如早期宇宙，可能物质更丰富，更有利于黑洞的快速生长。而随着宇宙的演化，星系的结构、恒星的丰度都会改变，这也会影响黑洞增长的环境。
黑洞之间的并合也是增长质量的重要方式，尤其是对超大质量黑洞而言。然而，并合事件本身也是有限的，它们发生在星系碰撞合并的过程中，并且需要黑洞在同一个区域。
超大质量黑洞的“另一层上限”
我们现在知道，在几乎所有大质量星系的中心，都存在着超大质量黑洞，它们的质量可以达到太阳质量的数百万到数十亿倍。这些黑洞的形成机制可能与恒星级黑洞有所不同，目前有几种主要的理论：
直接坍缩模型： 认为在早期宇宙中，巨大的气体云可以直接坍缩形成种子黑洞，质量可能在太阳质量的数万到数十万倍。
种子黑洞合并模型： 认为由第一代大质量恒星形成的黑洞（拥有数十到数百个太阳质量），通过快速并合和吸积，逐渐成长为超大质量黑洞。
无论哪种形成方式，超大质量黑洞在成长过程中同样会受到吸积盘辐射压力的限制。然而，它们似乎可以超越恒星级黑洞的“爱丁顿极限”，达到一个所谓的超爱丁顿吸积（SuperEddington accretion）状态。在这种状态下，黑洞可以以非常高的速率吞噬物质。
但是，即便如此，超大质量黑洞的质量也并非无限。有理论认为，当黑洞的质量非常大时，它周围的视界会变得非常广阔，而能够直接“喂饱”它的物质（例如直接掉入黑洞的气体流）可能变得越来越稀少。
关于“终极上限”的猜想
那么，是否存在一个宇宙中任何黑洞都无法超越的“终极质量上限”呢？目前，这个问题还没有明确的答案，也没有确凿的观测证据能够指向一个具体的数值。
一些理论物理学家提出了一些可能的上限来源：
普朗克质量： 这是量子力学和广义相对论结合起来推导出的一个基本质量单位，大约是10的8次方千克。但这个值非常小，和我们讨论的恒星级或超大质量黑洞完全不是一个数量级。我们不认为黑洞的质量会受到普朗克尺度的直接限制，因为它是一个宏观天体。
宇宙的年龄和物质总质量： 宇宙存在了大约138亿年，并且其中包含的总物质质量是有限的。如果一个黑洞要变得无限大，它需要吞噬无限多的物质，这在有限的宇宙中是不可能的。
引力波导致的能量损失： 质量巨大的旋转黑洞会向外辐射引力波，这会带走它的能量和角动量，从而限制其增长。理论上，当黑洞质量达到非常巨大的程度时，引力波辐射可能成为一个显著的限制因素，尽管它可能不足以“封死”黑洞的增长。
新的物理学理论： 也许我们目前的物理学理论（广义相对论和标准模型）在描述黑洞最极端的情况下会失效，需要一种新的理论，例如量子引力理论，来解释是否存在一个绝对的质量上限。
结论：一个动态的概念
总而言之，黑洞并没有一个像“100亿个太阳质量”这样死的、绝对的质量上限。我们所谈论的“上限”，更多的是在特定形成机制或特定环境下的“生长瓶颈”或“理论预测值”。
恒星级黑洞 的上限受到中子星能够承受的最大质量所限制。
所有黑洞 在吸积物质时，受到吸积盘辐射压力和角动量的限制，导致爱丁顿极限。
超大质量黑洞 似乎能打破这个限制，但仍可能受到物质供应、宇宙演化以及可能的新物理学原理的制约。
科学家们正在通过观测更遥远的、更古老的黑洞，以及通过更精确的引力波探测数据，来寻找这些“上限”的蛛丝马迹。也许未来某一天，我们会发现一个真正意义上的“黑洞质量天花板”，也或者，我们会发现黑洞的增长潜力比我们现在想象的还要惊人。对黑洞质量上限的研究，正是人类不断探索宇宙奥秘、挑战现有物理学理论边界的绝佳例证。
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新闻报道说有科学家证明通过吸积盘形成的黑洞质量不能超过太阳的500亿倍，请问为什么会这样呢？
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