這就是為什麼黑洞一定以近光速旋轉

當一顆質量足夠大的黑洞走向生命的終結，或者兩個大質量恆星殘餘合併，便會形成黑洞。黑洞擁有事件視界和吸積盤，周圍的物質不斷墜落。黑洞旋轉時，事件視界內外的空間也發生旋轉。絕大多數恆星的旋轉速度較慢，相比之下，黑洞則以接近光速的速度旋轉。聽起來似乎違反常識，但根據物理學定律，這是黑洞的唯一選擇。

活躍黑洞藝術概念圖

亮度最高質量最大的恆星，壽命也最短。與低質量恆星相比，它們消耗燃料的速度更快。一旦燃料耗光，它們也就走到生命的盡頭，淪為恆星屍體。這些屍體有很多種類：質量最小的恆星會變成白矮星，處於第二梯隊的恆星變成中子星，質量最大的恆星變成黑洞。絕大多數恆星的旋轉速度較慢，相比之下，黑洞則以接近光速的速度旋轉。聽起來似乎違反常識，但根據物理學定律，情況只能如此。

太陽內部發生核反應，將氫聚合成氦

大約70億年後，太陽會耗光核心的氦，變成紅巨星，終結自己的生命，剝離外層，核心收縮成一個恆星殘餘。剝離的外殼將形成行星狀星雲，這個星雲將在數萬年內持續發光，而後將物質返還給星際介質。這種方式釋放出來的物質將參與未來的恆星形成過程。

與此同時，主要由碳和氧構成的核心將盡其最大可能收縮。最終，引力塌陷只能被太陽殘餘中留下的原子、離子和電子阻止。只要不跨越臨界量閾值，這些粒子將足以支撐恆星殘餘對抗引力塌陷，形成白矮星。這顆白矮星保留了太陽大部分的質量，但個頭僅相當於地球。

耗光燃料後，太陽會變成一顆紅巨星，而後再變成一顆被行星狀星雲環繞的白矮星

天文學家對恆星和恆星演化有著深刻的認知，能夠準確描述這個過程。對於一顆與太陽類似的恆星，近60%的質量隨著外層的剝離而被噴射出來，餘下的40%留在核心。對於質量為太陽七八倍的更大的恆星，其留在核心的質量更少，只有18%。

哈勃望遠鏡拍攝的天狼星A和天狼星B，一顆與太陽類似，一顆是白矮星

天狼星是夜幕中最明亮的恆星，擁有一個白矮星伴侶。天狼星A的亮度略高於太陽，質量也超過太陽。很久以前，天狼星B便耗光燃料。現在，天狼星A主導這個雙星系統。它的質量是太陽的兩倍，天狼星B的質量則與太陽接近。

類日恆星需要數天甚至一個月才能旋轉一周。相比之下，白矮星一個小時便可旋轉一周。聽起來很怪異，但如果你見過花樣滑冰選手的表演，也就不難理解。花樣滑冰選手在做旋轉動作時，可以將雙臂抱緊以減小身體到旋轉軸的有效距離從而增加旋轉速度。無論是花樣滑冰選手還是白矮星，都遵循角動量守恆定律。

花樣滑冰選手在做旋轉動作時，可以將雙臂抱緊以減小身體到旋轉軸的有效距離從而增加旋轉速度

如果將一顆質量、體積和旋速與太陽類似的恆星壓縮成地球大小，會發生什麼？太陽完整旋轉一周最長需要33天。假設太陽每33天旋轉一周，只有內部40%的質量演變成白矮星，由於角動量守恆，這顆白矮星旋轉一周只需要短短25分鐘。

當低質量的類日恆星耗光燃料，它們會剝離外層，形成行星狀星雲，核心則收縮成白矮星

通過將所有質量拉近恆星殘餘的旋轉軸，它的旋轉速度一定會加快。如果將一個旋轉物體的半徑減半，它的旋速會增至原來的4倍。太陽的直徑是地球109倍。感興趣的話，不妨自己算一算。

說完了白矮星，該輪到中子星和黑洞了。通常情況下，中子星是一顆質量更大的恆星發生超新星爆炸的產物。核心的粒子被極限壓縮，以類似巨型原子核的方式行動。這個原子核幾乎完全由中子構成。中子星的質量通常是太陽的兩倍，但直徑只有20到40公裡。它們的旋轉速度遠遠超過任何已知恆星或者白矮星。

中子星是宇宙內最緻密的天體之一，但它們的質量存在上限。一旦超出上限，它們將進一步塌陷，演化成黑洞

如果將太陽的直徑壓縮到40公裡，它的旋轉速度將遠超白矮星——只需要10毫秒就能旋轉一周。根據角動量守恆定律，中子星1秒鐘可以旋轉超過100周。一些中子星會放射出射電脈衝，也就是所謂的脈衝星。我們能夠對脈衝星的脈衝周期進行測算。某些脈衝星需要1秒鐘才能旋轉一周，某些只需要1.3毫秒，每秒最高可旋轉766周。

中子星雖然體積小、亮度低，但溫度極高，需要很長時間才會冷卻

毫秒脈衝星的移動速度極快。在它們的表面，旋速可達到相對論性速度，即超過光速的50%，不過，中子星並不是宇宙中最緻密的天體，這個頭銜歸黑洞所有。黑洞擁有驚人的引力，甚至連以光速移動的物體也無法逃脫它們的魔爪。

如果將太陽壓進一個半徑只有3公裡的區域，就會變成一個黑洞。角動量守恆意味著黑洞內部的大部分區域會出現劇烈的慣性系拖曳效應，以接近光速的速度拖拽空間。即使在黑洞施瓦茨席爾德半徑外，也是這種情況。質量被壓縮的越嚴重，拖拽空間結構的速度越快。

當一顆質量足夠大的黑洞走向生命的終結，或者兩個大質量恆星殘餘合併，便會形成黑洞。黑洞擁有所謂的事件視界和吸積盤，周圍的物質不斷墜落。當黑洞旋轉時，事件視界內外的空間也發生旋轉

我們無法測算空間的慣性系拖拽，但我們可以測算空間內物質的慣性系拖拽。具體到黑洞，這意味著觀測黑洞周圍的吸積盤和吸積流。讓人感到矛盾的是，質量最小的黑洞，事件視界也最小，但其事件視界附近的空間曲率最大。

天文學家已經對超大質量黑洞的旋轉進行探測，並與理論上的極限速度進行對比。即使在我們這距離NGC 1365星系中央的超大質量黑洞非常遠的地方，也可以觀測到物質正以光速84%的速度旋轉。如果你堅持角動量守恆定律，黑洞除了以近光速旋轉就沒有其它選擇。

旋轉黑洞事件視界內部和外部的時空流動與非旋轉黑洞類似，但二者仍存在一些根本性差異

我們很難憑直覺得出「黑洞以接近光速的速度旋轉」這樣的結論。畢竟，形成黑洞的恆星旋轉速度極慢，即使按照24小時一圈的地球標準也慢。宇宙中的絕大多數恆星都有巨大的身軀，同時擁有巨大的角動量。

如果將恆星壓進一個非常狹小的空間，這些物體便只有一條路可走，因為角動量必須守恆，它們能做的就是提高旋速，直至接近光速。到了這個點，引力波將介入，部分能量和角動量被輻射掉。若不是這個過程，黑洞可能不再「黑」，而是暴露出中央的裸露奇點。在這個宇宙，黑洞除了以超乎想像的速度旋轉，沒有其它任何選擇。也許在將來的某一天，我們能夠對黑洞進行直接觀測。

翻譯：牛樹軍

編輯：盛雲卿

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