为什么黑洞必须以几乎接近光的速度旋转？

静静的读你

• ?这是一个活跃黑洞的例子，它通过两个垂直的喷流将物质吸积并使一部分物质向外加速。正态物质经历这样的加速度，说明类星体的工作原理非常好。所有已知的、测量良好的黑洞都有巨大的旋转速度，而物理学定律几乎确保这是强制性的。
  

看看外面的宇宙，虽然星星可能会发出你最先注意到的光，但更深入的观察表明，外面还有更多。最亮、质量最大的恒星寿命最短，因为它们燃烧燃料的速度远远快于质量较小的恒星。一旦它们达到极限，无法再融合元素，它们就会走到生命的尽头，变成恒星的尸体。
但是这些尸体有很多种类型：质量最小的白矮星(如类日恒星)，质量更高的中子星，质量最大的则是黑洞。虽然大多数恒星自转相对较慢，但黑洞的自转速度却接近光速。这似乎违反直觉，但根据物理定律，不可能有其他方式，为什么？

• ?太阳的光线来自核聚变，核聚变主要将氢转化为氦。当我们测量太阳的自转速度时，我们发现它是整个太阳系中自转速度最慢的行星之一，一个360度的自转需要25到33天，这取决于纬度。
  

再过70亿年左右，在成为一颗红巨星并燃烧掉其核心的氦之后，它的生命将随着其外层的爆炸而结束，而它的核心将收缩成恒星的残余。
外层将形成一种被称为行星状星云的景象，在将这种物质送回星际介质之前，它将发光数万年，在那里它们将参与未来几代恒星的形成。但是内核，主要由碳和氧组成，会尽可能地收缩。最后，引力坍缩只会停在粒子——原子、离子和电子——太阳的馀民将由其制成。

• ?当我们的太阳耗尽燃料时，它将变成一颗红巨星，接着是一个行星状星云，中心有一颗白矮星。猫眼星云是这一潜在命运的一个视觉壮观的例子，其复杂的、分层的、不对称的形状暗示着一个双星伴星。在中心，一颗年轻的白矮星在收缩过程中不断升温，温度达到了比产生它的红巨星高数万开尔文。
  

只要不越过临界质量阈值，这些粒子就足以让恒星残骸抵御引力坍缩，形成一种被称为白矮星的简并状态。它的质量将是其母星的相当大的一部分，但体积却只剩一小部分：大约和地球一样大。
天文学家现在对恒星和恒星演化有足够的了解来描述这个过程中发生了什么。对于像我们的太阳这样的恒星，大约60%的质量会在外层被排出，而剩下的40%会留在核心。对于更大质量的恒星，其质量是太阳质量的7到8倍，其核心剩余的质量分数更小，低到高质量一端的18%左右。在地球的天空中最亮的恒星，天狼星，有一个白矮星伴星，可以在下面的哈勃图像中看到。

• ?天狼星A和B，一颗普通(类太阳)恒星和一颗白矮星，由哈勃太空望远镜拍摄。尽管白矮星的质量要小得多，但它微小的、类似地球的体积保证了它的逃逸速度要大很多倍。此外，它的旋转速度将远远大于它在全盛时期的旋转速度，那时它是一颗成熟的恒星。
  

天狼星A比我们的太阳更明亮，质量更大，我们相信天狼星B曾经讲过一个类似的故事，但是它很久以前就耗尽了燃料。今天，天狼星A主宰着这个系统，它的质量大约是我们太阳的两倍，而天狼星B的质量只大约等于我们太阳的质量。
然而，基于对白矮星脉冲的观测，我们得到了宝贵的教训。白矮星不像普通恒星那样需要几天甚至大约一个月的时间来完成一个完整的旋转，而是在一个小时内完成一个360度的旋转。这可能看起来很奇怪，但如果你看过花样滑冰的套路，同样的原理也可以解释白矮星的转速：角动量守恒定律。

• ?角动量守恒确保当她把质量拉向旋转轴的中心时，她的角速度加快来补偿。
  

那么，如果你把一颗像太阳这样的恒星——具有太阳的质量、体积和转速——压缩成地球大小的体积，会发生什么呢？
信不信由你，如果你假设角动量是守恒的，太阳和我们想象的压缩太阳都是球体，这是一个完全可以解决的问题只有一个可能的答案。如果认为太阳的整体旋转每隔33天，只有内40%的太阳变成白矮星，你会得到一个惊人的答案：太阳，白矮星，将在短短25分钟完成一个旋转。

• ?当质量较低的类太阳恒星耗尽燃料时，它们会在行星状星云中爆炸掉外层，但中心收缩形成一颗白矮星，这需要很长时间才会消失在黑暗中。太阳产生的行星状星云应该会完全消失，在大约95亿年之后，只剩下白矮星和我们的剩余行星。有时，物体会被潮汐撕裂，给我们太阳系的剩余部分添加灰尘环，但它们是短暂的。白矮星将会比我们现在的太阳旋转得快得多。
  

通过让所有的质量都靠近恒星残骸的旋转轴，我们确保了它的转速一定会上升。一般来说，如果把一个物体旋转时的半径减半，它的转速就会增加四倍。
不出所料，你可能会开始问中子星或黑洞：甚至更极端的物体。中子星通常是一颗质量大得多的恒星在超新星中结束生命的产物，在超新星中，核心的粒子被压缩得如此之紧，以至于它表现得像一个巨大的原子核，几乎完全由中子(90%或更多)组成。中子星的质量通常是太阳的两倍，但直径只有20至40公里。它们的旋转速度比任何已知的恒星或白矮星都要快得多。

• ?中子星是宇宙中密度最大的物质集合之一，但它们的质量有一个上限。超过它，中子星将进一步坍缩形成黑洞。我们所发现的自转速度最快的中子星是一颗脉冲星，它每秒旋转766次。
  

如果你把整个太阳压缩成一个直径40千米的体积，你会得到一个比白矮星更快的旋转速度：大约10毫秒转一圈。同样的原理，我们应用在花样滑冰运动员身上，关于角动量守恒，使我们得出结论，中子星可以在一秒钟内完成100多个完整的旋转。
事实上，这与我们的实际观测完全吻合。一些中子星沿着地球的视线发射射电脉冲：脉冲星。我们可以测量这些物体的脉冲周期，虽然有些物体旋转大约需要一秒钟的时间，但有些物体旋转仅需1.3毫秒，最高可达每秒766次。

• ?中子星很小，整体光度很低，但它很热，需要很长时间才能冷却下来。如果你的眼睛足够好，你会看到它在宇宙现在的年龄照耀数百万次。中子星从x射线发射光线到光谱的射电部分，有些中子星每旋转一次就会产生脉冲，使我们能够测量它们的旋转周期。
  

这些毫秒脉冲星移动得很快。在它们的表面，这些旋转速度与相对论速度相对应：对于最极端的物体，其速度超过光速的50%。但是中子星并不是宇宙中密度最大的物体，这个荣誉属于黑洞，它把所有的质量压缩到一个空间区域，在那里，即使是一个以光速运动的物体也无法逃离它。
如果你把太阳压缩成一个半径只有3千米的体积，这将迫使它形成一个黑洞。然而，角动量守恒意味着这个内部区域的大部分会经历剧烈的框架拖曳，以至于空间本身会以接近光速的速度被拖曳，甚至在黑洞的史瓦西半径之外。你压缩的质量越大，空间结构本身被拖拽的速度就越快。

• ?当一颗质量足够大的恒星结束它的生命，或者两颗质量足够大的恒星残骸合并，就会形成一个黑洞，其视界与质量成正比，周围还会形成一个吸积盘，吸积盘里的物质会不断向外沉降。当黑洞旋转时，视界内外的空间也会旋转:这是帧拖拽的效果，这对黑洞来说可能是巨大的。
  

实际上，我们无法测量空间本身的帧拖拽。但是我们可以测量存在于那个空间内的物质的帧拖拽效应，对于黑洞来说，这意味着观察吸积盘和这些黑洞周围的吸积流。也许矛盾的是，质量最小的黑洞，也就是视界最小的黑洞，其视界附近的空间曲率却最大。
因此，你可能认为他们会成为测试这些帧拖拽效果的最佳实验室。但在这方面，大自然让我们感到意外：在星系NGC 1365的中心有一个超大质量黑洞，它的外部体积释放出的辐射被探测到并测量出来，显示了它的速度。即使在这么远的距离内，这种物质仍以84%的光速旋转。如果你坚持角动量守恒，就不可能有其他的方式。

• ?而多时空内外流动的概念(外部)为一个旋转的黑洞活动视界是类似于一个旋转的黑洞,有一些根本性的差异,导致一些非常不同的细节当你考虑一个观察者失败,地平线会看到外面的(内部)的世界。当你遇到外部视界时，模拟会崩溃。
  

这是一件极其困难的事情黑洞应该以接近光速的速度旋转。毕竟，黑洞形成的恒星自转极其缓慢，即使按照地球每24小时自转一次的标准来看也是如此。但是如果你还记得我们宇宙中的大多数恒星也有巨大的体积，你就会意识到它们包含着巨大的角动量。
如果将该卷压缩到非常小，那么这些对象就没有选择。如果角动量必须守恒，它们所能做的就是加速旋转，直到几乎达到光速。在这一点上，引力波会进入，一些能量(和角动量)会被辐射出去。如果不是这个过程，黑洞可能根本就不是黑色的，而是在它们的中心暴露出赤裸裸的奇点。在这个宇宙中，黑洞别无选择，只能以超高速旋转。也许有一天，我们可以直接测量它。


本文选自：今日头条