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黑洞的奇點如何自旋？
如果一顆恆星自旋並坍縮，它的角動量會發生什麼變化？
圖解 :一個吸積盤、磁場和物質噴射都在黑洞視界之外的黑洞模擬圖像。但是目前得到的關於穩定盤的經典圖像，只適用於非旋轉黑洞。如果你接近視界本身，旋轉、真實的黑洞就會令你思考一些迷人新奇的物理現象。(圖源：M. WEISS/CFA)
在宇宙中形成黑洞最常見的方式，是讓一顆大質量恆星走向生命盡頭，並在發生災難性的超新星爆炸。然而，當一顆恆星外部爆炸、內核坍縮，若其前身星的質量足夠大，黑洞就形成了。但是現實中大多數恆星(包括太陽)，是旋轉著的。因此，他們應該是不能夠坍縮成一個單點的——因為角動量守恆了。這一切是如何運作的呢？這剛好是亞倫·維斯想要知道的，他問道：
當恆星坍縮成黑洞時，角動量是如何守恆的呢？
它對於黑洞自旋意味著什麼？
到底是什麼在旋轉？
奇點如何自旋？
其自旋速率有「速度限制」嗎？
而旋轉又是如何影響視界大小及其周圍區域的呢？
這些都是好問題。我們一起來找出答案。
圖解：地球圍繞太陽的引力行為並不是由於一種看不見的引力作用，而更確切的描述應是「地球在太陽主導的曲線空間中自由墜落」。兩點間最短的距離不是一條直線，而是一條短程線：一條由時空的重力變形所定義的曲線。(圖源：LIGO/T. PYLE)
當愛因斯坦第一次提出他的重力理論——《廣義相對論》時，他在時空之間建立了不可分割的聯繫，該聯繫代表了我們宇宙的構造，以及其中存在的所有物質和能量。我們所理解的重力，就是空間的曲率，以及物質和能量在時空中運動時對曲率的反應方式。物質和能量決定時空如何彎曲，而彎曲的空間決定物質和能量如何移動。
緊接著，愛因斯坦意識到這樣的圖景會帶來一個奇怪的結果，它很難與我們現有的宇宙相協調一致：一個充滿物質的宇宙是不穩定的。通常，如果你有一個充滿均勻數量穩定物質的空間，(無論其形狀，大小或數量)它都會不可避免地坍縮形成一個完全球形的黑洞。
圖解：在一個沒有膨脹的宇宙裡，你可以用你喜歡的任何結構將其填滿定態物質，但它總是會坍縮成一個黑洞的。在愛因斯坦萬有引力作用的情況下，這樣的宇宙是不穩定的，必須要膨脹才能達到穩定狀態，否則我們就必須接受它不可避免的命運。(圖源：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)
一旦物質變化到質量足夠大且體積足夠小，就會在特定位置形成視界。空間的球形區域(其半徑由內部質量決定)將經歷非常嚴重的彎曲，以至於任何經過併到達內部邊界的物體都將無法逃逸。
視界之外，它看起來像剛好有一個引力很強的極端區域，但是沒有光或物質可以從裡面發射出來。然而，對於任何落入黑洞的物體，它都會不可避免地被帶到黑洞的正中心：一個奇點。雖然物理定律在這一點上失效了——一些物理學家厚臉皮地將奇點稱為「上帝除以零」的地方——但沒有人會懷疑所有穿過視界的物質和輻射都指向這個類點的空間區域。
圖解：一幅在黑洞視界外嚴重彎曲時空的插圖。當你距質量的位置越來越近時，空間就會變得越來越彎曲，最終會到達一個從內到外連光都無法逃逸的位置：即視界。該位置的半徑是由黑洞的質量、光的速度以及廣義相對論單獨決定的。理論上，應該有一個特殊的點，即一個奇點，在那裡所有質量都集中在靜止、球形對稱的黑洞上。(圖源：PIXABAY USER JOHNSONMARTIN)
讀到這兒您可能有反對意見了。畢竟，實際宇宙的運行方式還有很多種不同於這樣樸素的引力坍縮圖景的設想。
·在宇宙中，萬有引力並不是唯一的作用力：當涉及到物質與能量時，核能作用力與電磁場同樣也發揮著力的作用。
·黑洞並不是由物質分布均勻的坍縮形成的，而是當核聚變無法繼續時，由大質量恆星的核心發生內爆形成的。
·或許最重要的是，我們已發現的所有恆星都是自旋的，而其角動量總是守恆，所以黑洞也應該是自旋的。
那麼，我們一起來看看吧: 讓我們從一個近似的簡單領域，進入一個更現實的黑洞運作的真實畫面。
圖解：2016年，水星橫越太陽，但太陽盤上可見的大太陽黑子實際上通過一個更大的因素減少了其光的輸出。通過觀察太陽黑子隨時間移動的位置，以及利用赤道與兩極處的黑子要25至33個地球日才能完成的一次完整的公轉，我們確定了太陽不同區域具有不同的自轉速度。(圖源：WILLIAMS COLLEGE; GLENN SCHNEIDER, JAY PASACHOFF, AND SURANJIT TILAKAWARDANE)
所有恆星都自旋。我們的太陽，是一個相當慢的旋轉體，其完成360°旋轉的時間範圍是25至33天，具體時間取決於你監測到的特定太陽緯度。但是我們的太陽很大，密度很低，而宇宙中有太多極端天體，它們的物理尺寸和質量都很小。正如一個旋轉的花樣滑冰運動員將胳膊和腿往內收時其速度會加快一樣。如果天體物質的半徑減小，它們就會旋轉得更快。
如果太陽是一顆白矮星——其質量不變但物理尺寸與地球相當——那麼它就會每4分鐘自轉一次。
如果它成為一顆中子星——其質量不變而半徑變為20km——它就會每2.4毫秒自轉一次：這與我們觀察到最快的脈衝星的速度一致。
圖解：中子星是宇宙中密度最大的物質集合之一，但是它們的質量有一個上限。超越這個上限，中子星會進一步坍縮形成黑洞。我們已發現的自旋最快的中子星是一顆脈衝星，它每秒自轉766次：它的自轉速度會比我們假設把太陽坍縮到中子星的大小時的速度還要快。(圖源：ESO/LUS CALADA)
也就是說，如果我們的恆星(或者任何恆星)坍縮成一個黑洞，我們也仍然需要角動量守恆。當這宇宙中的某物體在旋轉時，你不可能脫離這種旋轉的狀態，就像你不能夠創造或消滅能量或動量一樣。它必須有一個去向。當任何物質集合坍縮到比視界小的半徑時，角動量也會被困在其中。
這是可以解決的！愛因斯坦1915年提出了廣義相對論，而僅僅幾個月後，卡爾·史瓦西就發現了第一個精確解：對於一個質量點來說，它會像一個球形黑洞一樣具有自旋行為。用更現實的方式來對這個問題進行建模的下一步——考慮如果黑洞也有角動量，而不是只有質量——直到1963年，羅伊·克爾找到了精確解才得以實現。
圖解：1963年羅伊·克爾找到了具有質量和角動量的黑洞的精確解。它揭示的並非是一個單一的具有點狀奇點的視界，而是一個內外視界，以及一個內外能層，外加一個半徑相當大的環狀奇點。(圖源：MATT VISSER, ARXIV: 0706.0622)
更樸素、更簡單的史瓦西的解與更現實、複雜的克爾的解之間有一些基本且重要的區別。沒有特定順序，以下是一些有趣的對比：（以下為克爾的解）
1. 在視界的位置並非只有一個解，一個旋轉的黑洞有兩個數學解：一個內視界和一個外視界。
2. 即使在外視界的外部，也有一個叫做能層的地方，在那裡，空間本身以與光速相等的轉速被拖曳著，粒子落在那裡會經受巨大的加速度。
3. 角動量與質量的最大比值有個極限；如果角動量太大，黑洞就會(通過引力輻射)將能量輻射出去，直到其低於這個極限。
4. 也許最有趣的是，黑洞中心的奇點不再是一個點，而是一個一維環，其半徑由黑洞的質量和角動量決定。
圖解：哈勃望遠鏡拍攝的可見光/近紅外照片顯示，一顆質量約為太陽25倍的大質量恆星已經消失，既沒有超新星也沒有其他解釋。直接坍縮是唯一合理的候選解釋，也是已知除了超新星或中子星合併之外形成黑洞的一種方式。(圖源：NASA/ESA/C. KOCHANEK (OSU))
從你第一次創建視界概念的那一刻起，黑洞旋轉這個假設就是成立的。一個大質量的恆星可以變成超新星，在那裡旋轉的核心內爆並坍縮成一個黑洞，所有這一切都將成為現實。事實上，甚至有這樣的可能性，如果一顆超新星在我們的本星系群中消失，雷射幹涉引力波天文臺也許能夠從快速旋轉的黑洞的衰蕩信號中探測到引力波。
通過中子星與中子星的合併，或者是恆星或氣體雲的直接坍塌來形成黑洞，這樣的可能性都存在。但是，一旦你的黑洞存在，它的角動量就可能會隨著新物質的落入而不斷變化。視界的大小可以變大，而奇點和能層的大小可以變大或變小，這取決於新物質的角動量。
圖解：具有角動量的真實黑洞周圍有被拖曳著旋轉的空間，由於這些空間的特性，在非旋轉質量周圍形成平面軌道的單個粒子，最終會在三維空間佔據一個巨大的類環形狀。(圖源MAARTEN VAN DE MEENT / WIKIMEDIA COMMONS)
這將產生一些你意想不到的有趣行為。在黑洞不旋轉的情況下，其外部的物質粒子可以繞軌道運行、逃逸或落入內部，但仍將保持在同一平面上。然而，當一個黑洞旋轉時，它會被所有的三維空間拖曳，同時它將會填充一個環繞黑洞赤道的環形區域。
數學解和物理解之間也有一個重要的區別。如果我告訴你我有(4的平方根)個橘子，你會得出我有2個橘子的結論。數學上來看，你也很可能得出結論，我有-2個橘子，因為4的平方根很可能是+2也很可能是-2。但在物理學中，只有一個有意義的解。然而，正如科學家們長期以來所指出的:
......你不應該依據規律而相信內視界或內層面。雖然他們作為精確真空的愛因斯坦場方程的數學解確實存在，但是有足夠的物理學理由來懷疑位於內視界之內的區域(可以被證明是柯西視界)，該區域是非常不穩定的——甚至是經典的不穩定——而且是不可能在任何真實的天體物理坍縮中形成的。
（注意：該圖為動圖GIF）
圖解：旋轉黑洞的陰影(黑色)、視界和能層(白色)。a的量，如圖所示，與黑洞角動量與其質量的關係有關。請注意，視界望遠鏡所看到的黑洞的陰影要比黑洞本身的視界或能層大得多。(圖源：YUKTEREZ (SIMON TYRAN, VIENNA) / WIKIMEDIA COMMONS)
由於視界望遠鏡的驚人成功，我們終於第一次觀測到了黑洞的視界，科學家們已經能夠將他們的觀測結果與理論預測進行比較。通過運行各種各樣的模擬程序，詳細描述不同質量、自旋、方向和吸積物質流的黑洞信號，他們已經能夠想出最適合他們所看到的結果。儘管存在一些實質的不確定性，M87中心的黑洞似乎是:
·以94%的最高轉速旋轉，
·具有直徑約118天文單位(大於冥王星軌道)的一維環奇點，
·其旋轉軸指向與地球夾角約為17°，
·所有的觀測結果都與克爾黑洞(比史瓦西更受歡迎)一致。
圖解：2017年4月，所有與視界望遠鏡相關的8個望遠鏡陣列都指向M87。這就是超大質量黑洞的樣子，其視界清晰可見。只有通過甚長基線幹涉測量技術，我們才能獲得構建這樣一幅圖像所必需的解析度，將來有一天我們甚至會將解析度提高數百倍。陰影與旋轉的(克爾)黑洞一致。(圖源：EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION ET AL.)
然而，也許所有這些結論中最一語中的的是，在一個旋轉的時空中，空間本身就可以在沒有任何速度限制的情況下運動。只有物質和能量在空間中的運動才受到光速的限制；而空間本身沒有這樣的速度限制。黑洞旋轉的情況下，在視界之外有一個空間區域，其空間以比光速還快的速度繞著黑洞被拖曳，而這樣還好。物質仍然不能以超過宇宙極限的速度穿過那個空間，所有這些都與相對論和我們所觀察到的相符合。
隨著越來越多的黑洞成像，越來越多的觀測結果得到改善，我們完全希望了解更多關於真實旋轉黑洞的物理知識。但在那之前，我們要知道，我們的理論和觀察正在引導我們走向一個極其深刻、內在一致的方向，而且——最重要的是——是我們目前所擁有的對真實情況最準確的預測。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3. BlessedFuego- Viva-Ethan Siegel
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