克爾黑洞

克爾黑洞

克爾黑洞是指不隨時間變化的繞軸轉動的軸對稱黑洞。

這類黑洞的中心是一個奇環,有內、外兩個視界。內視界為黑洞奇異性的界限,而外視界則為不可逃脫的界限。這就意味,一旦你落入外視界,你不會立即被黑洞的種種奇異性摧毀,但此時你將會不可避免地落入內視界。兩介面僅在兩極處相切。除去兩視界外,克爾黑洞的最外圍還有一個界限稱為靜止界限(簡稱靜界)或無限紅移面。靜界產生于克爾黑洞的參考系拖拽效應,通俗地講,就是克爾黑洞旋轉時拖動著周圍的時空一起轉動。可以理解為在靜界處時空的"旋轉速度"等于光速,這就意味著靜界內的飛船無論如何不能保持相對靜止(物體移動的最大速度為光速)。靜界並非克爾黑洞的真正界限,因為進入靜界後仍然可以逃離。靜界和視界之間的夾層稱為能層。克爾黑洞可能與白洞連線,因此,進入克爾黑洞的物體隻要不撞在奇環上就有可能從白洞出來。

  • 中文名稱
    克爾黑洞
  • 外文名稱
    Kerr black holes
  • 提出者
    RoyKerr
  • 提出時間
    1962年
  • 套用學科
    天文學

原理

克爾黑洞是愛因斯坦場方程預言下的一類帶有角動量的黑洞,是二種旋轉黑洞中的一種。愛因斯坦方程有一個隻依賴于這兩個參量的精確解。這個解由紐西蘭物理學家羅伊·克爾(RoyKerr)于1962年得到,描述的是轉動黑洞的引力場。這個理論發現有著重要的天文學意義,其價值不亞于一種新基本粒子的發現。相比于靜態的史瓦西黑洞,克爾黑洞更接近于實際物理上的黑洞,因為大多數恆星都具有一定的自轉角動量,當它們坍縮成黑洞時仍然會保留部分角動量。

克爾黑洞克爾黑洞

根據科學家研究,克爾黑洞很可能連線著兩個世界,但這隻是一種推測!具體有待驗證!

所有恆星都在自轉,因而就不是嚴格球形的,而是在兩極處稍稍變化,于是一顆真實恆星的引力坍縮就不能由球對稱的史瓦西解來精確地描述。實際上,恆星周圍時空的幾何將由于引力波的產生而變得相當復雜。

為什麽引力波會擾亂幾何呢?道理很簡單:所有運動物質(例如一顆轉動恆星)的引力場都隨時間變化。因此,由引力造成的時空彎曲在每個時刻都會變化,以反映新的物質構造。這種再調節像一種"皺紋",以光速在背景幾何中傳播。

球對稱性最差的坍縮恆星發出最多的引力波。一旦視界形成,恆星坍縮成了黑洞,情況則立即簡化。在視界形成的瞬間,其形狀可能仍不規則,並表現出劇烈的振動,但在不到1秒鍾之內引力波會抹去所有的不規則性。于是視界停止振動並成為單一的平滑的形狀,即一個兩極因離心力而變扁平的橢球面。

這就是為什麽一顆規縮成黑洞的轉動恆星的引力場會最終達到一個平衡狀態,這個狀態隻依賴于兩個參量,即質量和角動量,後者表征恆星的轉動,類似于基本粒子的自旋。

克爾在史瓦西解的基礎上,讓這個黑洞模型旋轉起來,從而得到了克爾解所描述的黑洞。別小看這個旋轉,在黑洞強大的引力下,不僅僅要考慮旋轉引起的離心現象,還要考慮黑洞對外部時空的拖曳、對內部時空的擾動,以及相應的黑洞結構的改變和從而產生的影響。因此,克爾黑洞的結構比史瓦西黑洞復雜了許多。

在克爾黑洞的最外層,由于旋轉會產生對周圍時空的拖曳效應(倫斯--梯林效應),存在著一個判斷物體是否可以靜止于時空中的靜止介面。靜止介面外的物體,可以通過推進器等裝置在被拖曳的時空旋渦中相對于極遠處的觀測者靜止不動,而在靜止介面內,可以斷定,物體一定會被黑洞的強大引力拖動,開始旋轉。在這個介面內部,和史瓦西黑洞一樣存在著視界,但是要比史瓦西視界更加復雜,因為在這裏,視界分為兩個:內視界和外視界。外視界是物體能否與外界通訊的分介面,而內視界是奇點的奇異性質能否影響外界的分介面。也就是說,進入外視界的物體,必定會被吸入奇點,然後被摧毀,但是還可以在達到內視界以前享受一段相對"安寧"的日子,而一旦進入了內視界,那麽任何物體都會在內視界中奇點奇異性質的面前屈服,在達到奇點以前便被摧殘殆盡。在外視界和靜止介面之間,有一個相對十分廣闊的區域,叫"能層"。在能層中蘊藏著黑洞旋轉時的旋轉能。從理論上,可以在靜止介面外建立一個空間站,然後利用拋物投射來提取黑洞的旋轉能,得到幾乎無窮盡的能源。此外,在能層中,由于黑洞旋轉帶來的拖曳會將時空撕裂,從而產生穿越時空的蟲洞。

在內視界內部,和史瓦西黑洞一樣有一個奇異性質匯聚的地方,但是不像史瓦西黑洞那樣是一個奇點,而是一個獨特的奇異環,一個充滿了量子效應奇異性質的面,安靜地平躺在黑洞赤道面上。

要註意的是,史瓦西幾何描述的是一個球形物體的引力場,不論該物體是否處于靜止;而克爾幾何描述的隻是一個最後的平衡態,它隻適用于視界已經形成和所有的畸形都已被引力波掃除之後,而不能用于轉動恆星的實際坍縮過程。

性質:另外它還有一個重要性質:我們可以從中提取能量。這聽起來有些不可思議,因為我們都認為黑洞是一毛不拔的吝嗇鬼。

這裏的奧秘在于克爾黑洞有能層,意思就是能夠從中提取能量的一層。克爾黑洞的能量組成有兩部分:質量對應的引力能和轉動對應的轉動能。我們所能提取的是轉動能。

提取方法:派飛船進入能層,然後朝黑洞轉動方向的反方向扔下一個重物,然後快速離去。這個過程會使黑洞轉動的角動量降低,減少的部分轉移到飛船上,另外,轉動量也降低,這部分能量也轉移到了飛船上,這就從黑洞中提取了能量。不過,黑洞也不吃虧,它雖然失去了轉動能,但是得到了一大塊物質。黑洞並不在乎轉動能,它在乎的是視界的面積。黑洞進行的任何活動都保持視介面積隻增加不減少,上述過程能夠使視介面積增加,所以能夠進行。

分類:在黑洞的熱動力學方面,黃金比例起著意想不到的作用。通常可將黑洞分為兩類:不旋轉的(角動量為0)和旋轉的,旋轉的黑洞被稱為"克爾黑洞"。克爾黑洞又以兩種狀態存在:一種是當它們喪失能量時被加熱;另一種則是被冷卻。這兩種狀態還會相互轉化,而轉化的條件隻有在其質量的平方與角動量的平方之比為"黃金比例"時才成立。

研究

美國華盛頓大學的物理學家協同法國學者成功模擬出克爾黑洞圖像。與其復雜的理論模型不同,該圖像令人驚訝的簡單。這項成果不但有助于更好地理解克爾黑洞的構造與轉動黑洞的引力場,還可將理論假說和圖像相比較,促進理論的進一步完善。

由于所有恆星都自轉,其形狀必不能成為嚴格的球形,因此亦不能由球對稱的理論來描述。1963年,紐西蘭物理學家羅伊·克爾得到了能描述不帶電旋轉恆星的愛因斯坦引力場方程的解,這一理論對于天文學的意義,不亞于一種新基本粒子的發現,因他之名,由這類恆星坍縮形成的黑洞就叫克爾黑洞。

克爾黑洞以恆常速度旋轉,根據愛因斯坦引力場方程,一顆規縮成黑洞的轉動恆星的引力場會最終達到一個平衡狀態,這個狀態隻依賴于兩個參量,即質量和角動量,後者代表恆星的旋轉的速度,類似于基本粒子的自旋。

一直以來,這類帶有角動量的黑洞,被稱之為自然界最完美的物體之一,其相關的守恆定律與理論假說在問世40年後仍然神秘莫測。而今模擬圖顯示:克爾黑洞首先是軸對稱的,即繞對稱軸轉動,作短程線運動的試驗粒子其能量是守恆的;同時其繞對稱軸的角動量分量也守恆;另外其還允許試驗粒子遵循第三個守恆定律;而在克爾黑洞中,所有的數理方程,包括支配引力波傳播的一些方程,都可以分離變數,因而得到明確的解。

套用

研究人員借由圖像分析,在克爾黑洞環境中依據廣義相對論來描述小質量黑洞繞大質量黑洞進行旋轉的動作。同時,雖說圖像的建立由理論模型而來,但研究人員希望,可視化的成果亦能對引力波天文學領域的理論起到或修正或補充的作用。

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