黑洞的奇点怎么自旋？
假如一颗恒星自旋并坍缩，它的角动量会发作什么改变？
图解 :一个吸积盘、磁场和物质喷发都在黑洞视界之外的黑洞模仿图画。可是现在得到的关于安稳盘的经典图画，只适用于非旋转黑洞。假如你挨近视界自身，旋转、实在的黑洞就会令你考虑一些诱人别致的物理现象。(图源：M. WEISS/CFA)
在世界中构成黑洞最常见的方法，是让一颗大质量恒星走向生命止境，并在发作灾难性的超新星爆破。可是，当一颗恒星外部爆破、内核坍缩，若其前身星的质量满足大，黑洞就构成了。可是实践中大大都恒星(包含太阳)，是旋转着的。因而，他们应该是不可以坍缩成一个单点的——因为角动量守恒了。这一切是怎么运作的呢？这刚好是亚伦·维斯想要知道的，他问道：
当恒星坍缩成黑洞时，角动量是怎么守恒的呢？
它关于黑洞自旋意味着什么？
究竟是什么在旋转？
奇点怎么自旋？
其自旋速率有“速度约束”吗？
而旋转又是怎么影响视界巨细及其周围区域的呢？
这些都是好问题。咱们咱们一起来找出答案。
图解：地球盘绕太阳的引力行为并不是因为一种看不见的引力效果，而更切当的描绘应是“地球在太阳主导的曲线空间中自在掉落”。两点间最短的间隔不是一条直线，而是一条短程线：一条由时空的重力变形所界说的曲线。(图源：LIGO/T. PYLE)
当爱因斯坦第一次提出他的重力理论——《广义相对论》时，他在时空之间建立了不行分割的联络，该联络代表了咱们世界的结构，以及其间存在的一切物质和能量。咱们所了解的重力，便是空间的曲率，以及物质和能量在时空中运动时对曲率的反响方法。物质和能量决议时空怎么曲折，而曲折的空间决议物质和能量怎么移动。
紧接着，爱因斯坦意识到这样的图景会带来一个古怪的成果，它很难与咱们现有的世界相协调共同：一个充溢物质的世界是不安稳的。一般，假如你有一个充溢均匀数量安稳物质的空间，(不管其形状，巨细或数量)它都会不行避免地坍缩构成一个彻底球形的黑洞。
图解：在一个没有胀大的世界里，你可以用你喜爱的任何结构将其填满定态物质，但它总是会坍缩成一个黑洞的。在爱因斯坦万有引力效果的情况下，这样的世界是不安稳的，必需求胀大才干抵达安稳状况，不然咱们就必须承受它不行避免的命运。(图源：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)
一旦物质改变到质量满足大且体积满足小，就会在特定方位构成视界。空间的球形区域(其半径由内部质量决议)将阅历十分严峻的曲折，以至于任何经过并抵达内部鸿沟的物体都将无法逃逸。
视界之外，它看起来像刚好有一个引力很强的极点区域，可是没有光或物质可以从里边发射出来。可是，关于任何落入黑洞的物体，它都会不行避免地被带到黑洞的正中心：一个奇点。虽然物理规则在这一点上失效了——一些物理学家厚脸皮地将奇点称为“天主除以零”的当地——但没有人会置疑一切穿过视界的物质和辐射都指向这个类点的空间区域。
图解：一幅在黑洞视界外严峻曲折时空的插图。当你距质量的方位越来越近时，空间就会渐渐的变曲折，终究会抵达一个从内到外连光都无法逃逸的方位：即视界。该方位的半径是由黑洞的质量、光的速度以及广义相对论独自决议的。理论上，应该有一个特别的点，即一个奇点，在那里一切质量都会集在停止、球形对称的黑洞上。(图源：PIXABAY USER JOHNSONMARTIN)
读到这儿您可能有对立意见了。究竟，实践世界的运转方法还有很多种不同于这样朴素的引力坍缩图景的想象。
·在世界中，万有引力并不是仅有的效果力：当涉及到物质与能量时，核能效果力与电磁场相同也发挥着力的效果。
·黑洞并不是由物质散布均匀的坍缩构成的，而是当核聚变无法持续时，由大质量恒星的中心发作内爆构成的。
·或许最重要的是，咱们已发现的一切恒星都是自旋的，而其角动量总是守恒，所以黑洞也应该是自旋的。
那么，咱们一块儿来看看吧: 让咱们从一个近似的简略范畴，进入一个更实践的黑洞运作的实在画面。
图解：2016年，水星横越太阳，但太阳盘上可见的大太阳黑子实践上经过一个更大的要素减少了其光的输出。经过调查太阳黑子随时刻移动的方位，以及使用赤道与两极处的黑子要25至33个地球日才干完结的一次完好的公转，咱们确认了太阳不同区域具有不同的自转速度。(图源：WILLIAMS COLLEGE; GLENN SCHNEIDER, JAY PASACHOFF, AND SURANJIT TILAKAWARDANE)
一切恒星都自旋。咱们的太阳，是一个适当慢的旋转体，其完结360°旋转的时刻规模是25至33天，详细时刻取决于你监测到的特定太阳纬度。可是咱们的太阳很大，密度很低，而世界中有太多极点天体，它们的物理尺度和质量都很小。正如一个旋转的花样滑冰运动员将臂膀和腿往内收时其速度会加速相同。假如天体物质的半径减小，它们就会旋转得更快。
假如太阳是一颗白矮星——其质量不变但物理尺度与地球适当——那么它就会每4分钟自转一次。
假如它成为一颗中子星——其质量不变而半径变为20km——它就会每2.4毫秒自转一次：这与咱们调查到最快的脉冲星的速度共同。
图解：中子星是世界中密度最大的物质调集之一，可是它们的质量有一个上限。逾越这个上限，中子星会进一步坍缩构成黑洞。咱们已发现的自旋最快的中子星是一颗脉冲星，它每秒自转766次：它的自转速度会比咱们假定把太阳坍缩到中子星的巨细时的速度还要快。(图源：ESO/LU S CAL ADA)
也便是说，假如咱们的恒星(或许任何恒星)坍缩成一个黑洞，咱们也依然需求角动量守恒。当这世界中的某物体在旋转时，你不行能脱离这种旋转的状况，就像你不可以发明或消除能量或动量相同。它必须有一个去向。当任何物质调集坍缩到比视界小的半径时，角动量也会被困在其间。
这是能处理的！爱因斯坦1915年提出了广义相对论，而只是几个月后，卡尔·史瓦西就发现了第一个精确解：关于一个质量点来说，它会像一个球形黑洞相同具有自旋行为。用更实践的方法来对这样的一个问题进行建模的下一步——考虑假如黑洞也有角动量，而不是只要质量——直到1963年，罗伊·克尔找到了精确解才得以完成。
图解：1963年罗伊·克尔找到了具有质量和角动量的黑洞的精确解。它提醒的并非是一个单一的具有点状奇点的视界，而是一个表里视界，以及一个表里能层，外加一个半径适当大的环状奇点。(图源：MATT VISSER, ARXIV: 0706.0622)
更朴素、更简略的史瓦西的解与更实践、杂乱的克尔的解之间有一些根本且重要的差异。没有特定次序，以下是一些风趣的比照：（以下为克尔的解）
1. 在视界的方位并非只要一个解，一个旋转的黑洞有两个数学解：一个内视界和一个外视界。
2. 即便在外视界的外部，也有一个叫做能层的当地，在那里，空间自身以与光速持平的转速被拖曳着，粒子落在那里会饱尝巨大的加速度。
3. 角动量与质量的最大比值有个极限；假如角动量太大，黑洞就会(经过引力辐射)将能量辐射出去，直到其低于这个极限。
4. 或许最风趣的是，黑洞中心的奇点不再是一个点，而是一个一维环，其半径由黑洞的质量和角动量决议。
图解：哈勃望远镜拍照的可见光/近红外相片显现，一颗质量约为太阳25倍的大质量恒星现已消失，既没有超新星也没有其他解说。直接坍缩是仅有合理的候选解说，也是已知除了超新星或中子星兼并之外构成黑洞的一种方法。(图源：NASA/ESA/C. KOCHANEK (OSU))
从你第一次创立视界概念的那一刻起，黑洞旋转这个假定便是建立的。一个大质量的恒星可以变成超新星，在那里旋转的中心内爆并坍缩成一个黑洞，一切这一切都将成为实践。事实上，乃至有这样的可能性，假如一颗超新星在咱们的本星系群中消失，激光干与引力波天文台或许可以从快速旋转的黑洞的衰荡信号中探测到引力波。
经过中子星与中子星的兼并，或许是恒星或气体云的直接崩塌来构成黑洞，这样的可能性都存在。可是，一旦你的黑洞存在，它的角动量就可能会跟着新物质的落入而不断改变。视界的巨细可以变大，而奇点和能层的巨细可以变大或变小，这取决于新物质的角动量。
图解：具有角动量的实在黑洞周围有被拖曳着旋转的空间，因为这些空间的特性，在非旋转质量周围构成平面轨迹的单个粒子，终究会在三维空间占有一个巨大的类环形状。(图源MAARTEN VAN DE MEENT / WIKIMEDIA COMMONS)
这将发生一些你意想不到的风趣行为。在黑洞不旋转的情况下，其外部的物质粒子可以绕轨迹运转、逃逸或落入内部，但仍将坚持在同一平面上。可是，当一个黑洞旋转时，它会被一切的三维空间拖曳，一起它将会填充一个盘绕黑洞赤道的环形区域。
数学解和物了解之间也有一个重要的差异。假如我告知你我有(4的平方根)个橘子，你会得出我有2个橘子的定论。数学上来看，你也很可能得出定论，我有-2个橘子，因为4的平方根很可能是+2也很可能是-2。但在物理学中，只要一个有意义的解。可是，正如科学家们长期以来所指出的:
......你不应该根据规则而相信内视界或内层面。虽然他们作为精确真空的爱因斯坦场方程的数学解的确存在，可是有满足的物理学理由来置疑坐落内视界之内的区域(可以被证明是柯西视界)，该区域是十分不安稳的——乃至是经典的不安稳——并且是不行能在任何实在的天体物理坍缩中构成的。
（留意：该图为动图GIF）
图解：旋转黑洞的暗影(黑色)、视界和能层(白色)。a的量，如图所示，与黑洞角动量与其质量的联络有关。请留意，视界望远镜所看到的黑洞的暗影要比黑洞自身的视界或能层大得多。(图源：YUKTEREZ (SIMON TYRAN, VIENNA) / WIKIMEDIA COMMONS)
因为视界望远镜的惊人成功，咱们总算第一次观测到了黑洞的视界，科学家们现已可以将他们的观测成果与理论猜测进行比较。经过运转各式各样的模仿程序，详细描绘不同质量、自旋、方向和吸积物质流的黑洞信号，他们现已可以想出最适合他们所看到的成果。虽然存在一些本质的不确认性，M87中心的黑洞似乎是:
·以94%的最高转速旋转，
·具有直径约118天文单位(大于冥王星轨迹)的一维环奇点，
·其旋转轴指向与地球夹角约为17°，
·一切的观测成果都与克尔黑洞(比史瓦西更受欢迎)共同。
图解：2017年4月，一切与视界望远镜相关的8个望远镜阵列都指向M87。这便是超大质量黑洞的姿态，其视界清晰可见。只要经过甚长基线干与丈量技能，咱们才干获得构建这样一幅图画所必需的分辨率，将来有一天咱们乃至会将分辨率进步数百倍。暗影与旋转的(克尔)黑洞共同。(图源：EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION ET AL.)
可是，或许一切这些定论中最一语中的的是，在一个旋转的时空中，空间自身就可以在没有一点速度约束的情况下运动。只要物质和能量在空间中的运动才遭到光速的约束；而空间自身没有这样的速度约束。黑洞旋转的情况下，在视界之外有一个空间区域，其空间以比光速还快的速度绕着黑洞被拖曳，而这样还好。物质依然不能以超越世界极限的速度穿过那个空间，一切这些都与相对论和咱们所调查到的相符合。
跟着渐渐的变多的黑洞成像，渐渐的变多的观测成果得到改进，咱们彻底期望了解更多关于实在旋转黑洞的物理常识。但在那之前，咱们要知道，咱们的理论和调查正在引导咱们走向一个极端深入、内涵共同的方向，并且——最重要的是——是咱们现在所具有的对实在情况最精确的猜测。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
3. BlessedFuego- Viva-Ethan Siegel
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