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  • 克尔黑洞

    克尔黑洞是指不随时间变化的绕轴转动的轴对称黑洞。这类黑洞的中心是一个奇环,有内、外两个视界。内视界为黑洞奇异性的界限,而外视界则为不可逃脱的界限。这就意味,一旦你落入外视界,你不会立即被黑洞的种种奇异性摧毁,但此时你将会不可避免地落入内视界。两界面仅在两极处相切。除去两视界外,克尔黑洞的最外围还有一个界限称为静止界限(简称静界)或无限红移面。静界产生于克尔黑洞的参考系拖拽效应,通俗地讲,就是克尔黑洞旋转时拖动着周围的时空一起转动。可以理解为在静界处时空的“旋转速度”等于光速,这就意味着静界内的飞船无论如何不能保持相对静止(物体移动的最大速度为光速)。静界并非克尔黑洞的真正界限,因为进入静界后仍然可以逃离。静界和视界之间的夹层称为能层。克尔黑洞可能与白洞连接,因此,进入克尔黑洞的物体只要不撞在奇环上就有可能从白洞出来。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    英文名: 克尔黑洞 其他外文名: Kerr black holes
    提出者: RoyKerr 提出时间: 1962年
    应用学科: 天文学 适用领域范围: 物理学

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    原理/克尔黑洞 编辑

    克尔黑洞克尔黑洞
    克尔黑洞是爱因斯坦场方程预言下的一类带有角动量的黑洞,是二种旋转黑洞中的一种。爱因斯坦方程有一个只依赖于这两个参量的精确解。这个解由新西兰物理学家罗伊·克尔(RoyKerr)于1962年得到,描述的是转动黑洞的引力场。这个理论发现有着重要的天文学意义,其价值不亚于一种新基本粒子的发现。相比于静态的史瓦西黑洞,克尔黑洞更接近于实际物理上的黑洞,因为大多数恒星都具有一定的自转角动量,当它们坍缩成黑洞时仍然会保留部分角动量。

    根据科学家研究,克尔黑洞很可能连接着两个世界,但这只是一种推测!具体有待验证!

    所有恒星都在自转,因而就不是严格球形的,而是在两极处稍稍变化,于是一颗真实恒星的引力坍缩就不能由球对称的史瓦西解来精确地描述。实际上,恒星周围时空的几何将由于引力波的产生而变得相当复杂。

    为什么引力波会扰乱几何呢?道理很简单:所有运动物质(例如一颗转动恒星)的引力场都随时间变化。因此,由引力造成的时空弯曲在每个时刻都会变化,以反映新的物质构造。这种再调节像一种“皱纹”,以光速在背景几何中传播。

    球对称性最差的坍缩恒星发出最多的引力波。一旦视界形成,恒星坍缩成了黑洞,情况则立即简化。在视界形成的瞬间,其形状可能仍不规则,并表现出剧烈的振动,但在不到1秒钟之内引力波会抹去所有的不规则性。于是视界停止振动并成为单一的平滑的形状,即一个两极因离心力而变扁平的椭球面。

    这就是为什么一颗规缩成黑洞的转动恒星的引力场会最终达到一个平衡状态,这个状态只依赖于两个参量,即质量和角动量,后者表征恒星的转动,类似于基本粒子的自旋。

    克尔在史瓦西解的基础上,让这个黑洞模型旋转起来,从而得到了克尔解所描述的黑洞。别小看这个旋转,在黑洞强大的引力下,不仅仅要考虑旋转引起的离心现象,还要考虑黑洞对外部时空的拖曳、对内部时空的扰动,以及相应的黑洞结构的改变和从而产生的影响。因此,克尔黑洞的结构比史瓦西黑洞复杂了许多。

    在克尔黑洞的最外层,由于旋转会产生对周围时空的拖曳效应(伦斯——梯林效应),存在着一个判断物体是否可以静止于时空中的静止界面。静止界面外的物体,可以通过推进器等装置在被拖曳的时空旋涡中相对于极远处的观测者静止不动,而在静止界面内,可以断定,物体一定会被黑洞的强大引力拖动,开始旋转。在这个界面内部,和史瓦西黑洞一样存在着视界,但是要比史瓦西视界更加复杂,因为在这里,视界分为两个:内视界和外视界。外视界是物体能否与外界通讯的分界面,而内视界是奇点的奇异性质能否影响外界的分界面。也就是说,进入外视界的物体,必定会被吸入奇点,然后被摧毁,但是还可以在达到内视界以前享受一段相对“安宁”的日子,而一旦进入了内视界,那么任何物体都会在内视界中奇点奇异性质的面前屈服,在达到奇点以前便被摧残殆尽。在外视界和静止界面之间,有一个相对十分广阔的区域,叫“能层”。在能层中蕴藏着黑洞旋转时的旋转能。从理论上,可以在静止界面外建立一个空间站,然后利用抛物投射来提取黑洞的旋转能,得到几乎无穷尽的能源。此外,在能层中,由于黑洞旋转带来的拖曳会将时空撕裂,从而产生穿越时空的虫洞。

    在内视界内部,和史瓦西黑洞一样有一个奇异性质汇聚的地方,但是不像史瓦西黑洞那样是一个奇点,而是一个独特的奇异环,一个充满了量子效应奇异性质的面,安静地平躺在黑洞赤道面上。

    克尔黑洞克尔黑洞
    要注意的是,史瓦西几何描述的是一个球形物体的引力场,不论该物体是否处于静止;而克尔几何描述的只是一个最后的平衡态,它只适用于视界已经形成和所有的畸形都已被引力波扫除之后,而不能用于转动恒星的实际坍缩过程。

    性质:另外它还有一个重要性质:我们可以从中提取能量。这听起来有些不可思议,因为我们都认为黑洞是一毛不拔的吝啬鬼。

    这里的奥秘在于克尔黑洞有能层,意思就是能够从中提取能量的一层。克尔黑洞的能量组成有两部分:质量对应的引力势能和转动对应的转动动能。我们所能提取的是转动能。

    提取方法:派飞船进入能层,然后朝黑洞转动方向的反方向扔下一个重物,然后快速离去。这个过程会使黑洞转动的角动量降低,减少的部分转移到飞船上,另外,转动量也降低,这部分能量也转移到了飞船上,这就从黑洞中提取了能量。不过,黑洞也不吃亏,它虽然失去了转动能,但是得到了一大块物质。黑洞并不在乎转动能,它在乎的是视界的面积。黑洞进行的任何活动都保持视界面积只增加不减少,上述过程能够使视界面积增加,所以能够进行。

    分类:在黑洞的热动力学方面,黄金比例起着意想不到的作用。通常可将黑洞分为两类:不旋转的(角动量为0)和旋转的,旋转的黑洞被称为“克尔黑洞”。克尔黑洞又以两种状态存在:一种是当它们丧失能量时被加热;另一种则是被冷却。这两种状态还会相互转化,而转化的条件只有在其质量的平方与角动量的平方之比为“黄金比例”时才成立。[1]

    研究/克尔黑洞 编辑

    美国华盛顿大学的物理学家协同法国学者成功模拟出克尔黑洞图像。与其复杂的理论模型不同,该图像令人惊讶的简单。这项成果不但有助于更好地理解克尔黑洞的构造与转动黑洞的引力场,还可将理论假说和图像相比较,促进理论的进一步完善。

    由于所有恒星都自转,其形状必不能成为严格的球形,因此亦不能由球对称的理论来描述。1963年,新西兰物理学家罗伊·克尔得到了能描述不带电旋转恒星的爱因斯坦引力场方程的解,这一理论对于天文学的意义,不亚于一种新基本粒子的发现,因他之名,由这类恒星坍缩形成的黑洞就叫克尔黑洞。

    克尔黑洞以恒常速度旋转,根据爱因斯坦引力场方程,一颗规缩成黑洞的转动恒星的引力场会最终达到一个平衡状态,这个状态只依赖于两个参量,即质量和角动量,后者代表恒星的旋转的速度,类似于基本粒子的自旋。

    一直以来,这类带有角动量的黑洞,被称之为自然界最完美的物体之一,其相关的守恒定律与理论假说在问世40年后仍然神秘莫测。而今模拟图显示:克尔黑洞首先是轴对称的,即绕对称轴转动,作短程线运动的试验粒子其能量是守恒的;同时其绕对称轴的角动量分量也守恒;另外其还允许试验粒子遵循第三个守恒定律;而在克尔黑洞中,所有的数理方程,包括支配引力波传播的一些方程,都可以分离变量,因而得到明确的解。

    应用/克尔黑洞 编辑

    研究人员借由图像分析,在克尔黑洞环境中依据广义相对论来描述小质量黑洞绕大质量黑洞进行旋转的动作。同时,虽说图像的建立由理论模型而来,但研究人员希望,可视化的成果亦能对引力波天文学领域的理论起到或修正或补充的作用。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2016-11-10

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