旋轉黑洞

旋轉黑洞

旋轉黑洞又稱克爾黑洞,它有兩個視界和兩個無限紅移面,而且這四個面並不重合。視界才是黑洞的邊界,是指任何物質(經典物理範圍內)都無法逃脫的邊界。無限紅移面是指光在這個面上發生無限紅移,即光從一個邊界射出後發生引力紅移,紅移後的頻率為零。

特徵

在一定條件下,外能層中的物質可能穿出無限紅移面進入外部世界。彭若斯證明在特定條件下,能量較低的粒子穿入能層後,可能從能層中獲得能量,穿出時有較高的能量。這就是彭若斯過程。通過此過程反復操作可以提取黑洞的能量,使能層變薄。這些能量是黑洞的轉動動能。能層變薄,黑洞轉動動能減少。當能層消失後,克爾黑洞退化為不旋轉的施瓦西黑洞,因此不能再繼續以這種方式提取能量了。克爾黑洞中的中心奇異區不是一個點,而是一個奇環--由奇點圍成的一條圓圈線。

極端克爾黑洞

當黑洞旋轉速度加快,內外視界可能合二為一,稱為極端克爾黑洞。當旋轉速度再增加一點,視界消失,奇環裸露在外面。這與彭若斯的宇宙監督假設矛盾。因此在這一前提下,黑洞的轉速是有限製的。當外部飛船飛入克爾黑洞時,會不可抗拒的穿過內外視界間的區域,進入內視界內部後可以在其中運動而不一定落在奇環上。而且飛船可以從這裏進入其他宇宙,從另一個宇宙的白洞出來。這就是克爾黑洞預言的可穿越蟲洞。可是上期曾說過,宇宙監督認為內視界內部區域不穩定,飛船可能還沒有到達這個區域就已經撞向奇環了。因此宇宙監督不僅不允許我們的宇宙受奇異性的幹擾,似乎也封住了一切可穿越蟲洞的入口,不允許我們去發現另一個宇宙。

推廣

紐曼等人把克爾解推廣到帶電情況,得到了一般黑洞解。由于一般黑洞與克爾黑洞結構相似,主要性質和一些主要現象都非常類似,因此不多做講解。米斯納從彭若斯過程中得到啓發,認為彭若斯過程沒有設定物體的大小。若物體是個基本粒子,就與雷射的超輻射原理非常相似。這是受激輻射。愛因斯坦研究原子發光時,提出過存在受激輻射的同時一定存在自發輻射,通俗點講就是原子發光。因此米斯納提出黑洞存在自發輻射。後來研究表明,黑洞的確可以通過量子隧道效應輻射粒子,這部分粒子將帶走黑洞的能量,角動量,和電荷。最終克爾黑洞,R-N黑洞和一般黑洞退化為施瓦西黑洞。施瓦西黑洞似乎仍是一顆隻進不出的僵死的星,仍是恆星的最終歸宿。然而霍金打破了僵局,發現了一切黑洞(包括施瓦西黑洞)的共同性質,施瓦西黑洞仍是不斷演化的。

作用

科學家們觀測到代號為GRO J1655-40的旋轉黑洞附近的時空受到黑洞影響發生的凹陷現象,這將有助于科學家們測量黑洞的質量和旋轉,從而完整的描述黑洞。

最近,科學家們利用NASA的羅西X射線定時探測器對該黑洞進行了總時間達到550小時的觀測,並與1996年的觀測資料進行了比較,發現這兩次X射線譜完全一樣,黑洞附近區域引力場很強,能夠發射出一定頻率的輻射。相隔九年的兩次觀測結果一致說明在現象背後有一個基本理論在起作用,這就是愛因斯坦預言的且非常罕見的時空彎曲。麻省理工學院卡夫利天體物理與太空研究所的Jeroen Homan和密歇根大學、荷蘭阿姆斯特丹大學的科學家們在華盛頓召開的美國天文學會年會上宣布了他們的這項研究結果。

研究小組觀測了代號為GRO J1655-40的黑洞附近100英裏的區域,那裏的物質相對穩定的圍繞黑洞旋轉,並以固定的頻率做一些小的擾動,這是黑洞扭曲它附近的時空造成的。該黑洞系統的伴星的氣體被黑洞吸引落入黑洞,在這個過程中溫度逐漸升高,發射出X射線。

在長時間的觀測中科學家們發現了X射線頻率的漲落,這種現象稱為準周期震蕩。GRO J1655-40附近的X射線震蕩頻率從300赫茲到450赫茲不等。九年前的觀測估計GRO J1655-40的質量大約是太陽質量的6.5倍。

"X射線的頻率由黑洞的質量和轉動速度決定。" Miller說,"對黑洞質量和旋轉的測量很困難,但是幸運的是我們已經對黑洞的質量有了一個估計,通過物質接近黑洞邊緣的運動行為,我們也能得到黑洞的旋轉速度。所以,這是人類首次能夠完整地描述一個黑洞的性質。"

研究成果

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。

旋轉黑洞的原理

在旋轉黑洞的最外層,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。