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坠入黑洞会发生什么?堪称宇宙内最奇异遭遇

腾讯太空  · 公众号  · 探索  · 2019-06-06 21:47

正文


在茫茫宇宙,很多令人恐怖的天体和现象都能轻易要了你的小命。如果在太空中屏住呼吸,你的肺会爆炸;如果呼出所有气体分子,短短数秒就会昏过去。在宇宙的某些区域,热量迅速从你的身体吸出,让你冻成冰块。其它区域,极端高温会将你身体里的原子变成等离子体,让你瞬间灰飞烟灭。在所有死亡方式中,可能没有什么比坠入黑洞更令人感到不可思议。




当大质量恒星走到生命的尽头或者两个大质量恒星残余合并,便会形成黑洞。黑洞的事件视界与它们的质量以及环绕它们的吸积盘成比例


事件视界望远镜项目科学家海诺·法尔克提出这样的疑问:“如果坠入一个旋转的黑洞,结果将会怎样?”这是一个很有趣的问题,也是科学家能够解答的一个问题。根据爱因斯坦的广义相对论, 黑洞的特性由三个因素决定,即质量、电荷和角动量。 宇宙中的所有黑洞都拥有巨大的质量和角动量,电荷则可以忽略不计。




从外部观察黑洞,所有坠落的物质都会放射出可以观测的光线。一旦超出事件视界,包括光线在内的任何物质都将“有去无回”


黑洞的事件视界环绕一个单一点,也就是所谓的奇点。事件视界呈完美球形,是光线能否逃脱黑洞引力的分界线。一旦过了事件视界,任何物质都将有去无回。在事件视界外面,引力以常规方式运转。 空间被黑洞的巨大质量扭曲,导致周围的所有物体都朝着黑洞中央的奇点加速。 如果你的初始位置距离黑洞非常遥远并且这个距离仍允许物体坠落黑洞,你会看到什么?




黑洞拥有超乎寻常的引力,能够扭曲周围的空间


假设你可以静止不动,你将看到这个物体慢慢加速,在远离你的同时朝着黑洞移动。它将朝着事件视界不断加速,保持同样的颜色,而后会发生非常怪异的现象。 随着时间的推移,它似乎减慢了速度,变得愈发模糊并且颜色变红。 虽然不会完全消失,但也接近这种状态。




事件视界内的任何物质都被压缩并坠向奇点,任何三维结构都无法保持完整


现在,想象一下同样的设定,但不要将自己想象成观察者,而是坠落的物体。这一次,你的经历将截然不同。因为空间的扭曲非常剧烈,事件视界变大的速度将远远超出你的预计。在事件视界周围,空间严重扭曲,你开始看到外部宇宙的多重影像。 一旦穿过事件视界,你不仅仍能看到外部的宇宙,同时还能看到事件视界内部的一部分宇宙。 随着你不可避免地坠落奇点,照射到你身上的光线将发生蓝移,而后再度红移。在最后时刻,空间几乎变成扁平状。




艺术概念图,一颗靠近黑洞的类日恒星,被黑洞的潮汐力撕裂


整个过程的物理学非常复杂,但相关计算却直截了当。在2000年代晚期到2010年代初的一系列论文中,科罗拉多大学的安德鲁·汉密尔顿阐述了相关计算。 根据计算结果,汉密尔顿对坠落黑洞过程中所能看到的景象进行可视化。 这些计算结果加深了我们对黑洞的认知。不过,很多结果与我们的直觉相悖。为此,我们需要改变构想宇宙的方式。




无论是在事件视界外部还是内部,空间的流动都像移动的步道或者瀑布。在事件视界,即使你能够以光速奔跑,也无法克服时空的流动,最终将你拖向奇点


正常情况下,我们认为太空是一个固定的结构。但在事件视界内部,你一直处于运动之中。空间也在不停运动,就像一条移动的步道,将所有物质运向奇点。物质向奇点坠落的速度超乎想象,即使你用无限大的力量朝着与奇点相反的方向加速,仍会坠落奇点。 来自事件视界外部的物体的光线仍会从四面八方与你相遇,但在事件视界内部,你只能看到这些物体的一部分。




当你坠落黑洞或者靠近事件视界,你看到的黑洞个头比实际尺寸大的多。在外部观察者眼里,你的信息在事件视界被编码。随着黑洞的蒸发,这些信息会发生什么,现在尚无定论


科学家用“心形线”描述定义观察者所见景象的分界线。心形线的最大半径部分触摸事件视界,最小半径部分在奇点处结束。 这意味着奇点虽然是一个单一点,但并非不可避免地将坠落的所有物质与其它物质联系在一起。 如果你和我同时坠落事件视界的两侧,在穿过事件视界后,我们永远看不到彼此的光线。




事件视界望远镜拍摄的第一幅黑洞照片。这个黑洞座落于M87星系


造成这种现象的原因在于宇宙本身的结构始终处于运动之中。在事件视界内部,空间移动的速度超过光线,这也就是为什么任何物质都无法逃脱黑洞的魔爪。 一旦掉入黑洞,你将看到一系列怪异现象,例如同一物体的多重影像。




1963年,新西兰数学家罗伊·克尔发现了爱因斯坦方程的精确解,能够最真实地描述一个旋转但不带电荷的黑洞。克尔黑洞有内外两个事件视界


从黑洞的事件视界内部,不管你朝着哪个方向移动,最终都会落入奇点。 给人的感觉是,奇点似乎无所不在。不管你怎么努力,都无法摆脱坠落奇点的厄运。如果你的脚指向你加速的方向,你不仅会看到双脚处在你的下方,还能看到双脚处在你的上方。所有这些都可以进行直截了当的计算,即使它们违反直觉。不过,这种情况仅限于非旋转黑洞。




一个旋转黑洞的阴影(黑色)、事件视界和能层(白色)。事件视界望远镜看到的黑洞阴影面积远远超过这个黑洞的事件视界或者能层


现在,我们再将目光投向旋转黑洞。1963年,新西兰数学家罗伊•克尔发现了爱因斯坦方程的精确解,能够最真实地描述一个旋转但不带电荷的黑洞。 根据克尔的理论,旋转黑洞有内外两个事件视界;外事件视界之外还有一个被称之为“能层”的区域。 在这个区域,空间以光速被拖动,坠落的粒子出现巨大的加速度;角动量与质量之间存在一个最大比值。如果角动量过大,黑洞会向外辐射能量,直至低于这个比值;旋转黑洞中央的奇点不再是一个点,而是一个一维环。这个环的半径由黑洞的质量和角动量决定。




旋转黑洞事件视界内部和外部的时空流动与非旋转黑洞类似,但二者仍存在一些根本性差异


如果坠入一个旋转黑洞,你的遭遇与坠入非旋转黑洞大同小异,但所有的空间并非坠向奇点,而是沿着旋转方向被拖动,形成一个旋涡。 角动量与质量的比值越大,旋转速度越快。这意味着如果你看到物体坠落,你眼中的这个物体将变得愈发模糊并且越来越红,沿着旋转方向形成一个环或者一个盘。 坠落旋转黑洞就如同坐上速度超乎寻常的旋转木马,你的身体将一点点被吸向奇点。抵达奇点(一个环)时,你的不同身体部位将在不同的空间坐标与奇点遭遇。从事件视界内部向奇点坠落过程中,某些身体部位将从你的视线中消失。


翻译:牛树军

编辑:Suri



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