黑洞是静止的还是旋转的？哪种黑洞真实存在？它们都有什么特性？

       黑洞的奇点如何自旋？

       如果一颗恒星自旋并坍缩，它的角动量会发生什么变化？

图解 :一个吸积盘、磁场和物质喷射都在黑洞视界之外的黑洞模拟图像。但是目前得到的关于稳定盘的经典图像，只适用于非旋转黑洞。如果你接近视界本身，旋转、真实的黑洞就会令你思考一些迷人新奇的物理现象。(图源：M. WEISS/CFA)

       在宇宙中形成黑洞最常见的方式，是让一颗大质量恒星走向生命尽头，并在发生灾难性的超新星爆炸。然而，当一颗恒星外部爆炸、内核坍缩，若其前身星的质量足够大，黑洞就形成了。但是现实中大多数恒星(包括太阳)，是旋转着的。因此，他们应该是不能够坍缩成一个单点的——因为角动量守恒了。这一切是如何运作的呢？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，角动量是如何守恒的呢？

       它对于黑洞自旋意味着什么？

       到底是什么在旋转？

       奇点如何自旋？

       其自旋速率有“速度限制”吗？

       而旋转又是如何影响视界大小及其周围区域的呢？

       这些都是好问题。我们一起来找出答案。

图解：地球围绕太阳的引力行为并不是由于一种看不见的引力作用，而更确切的描述应是“地球在太阳主导的曲线空间中自由坠落”。两点间最短的距离不是一条直线，而是一条短程线：一条由时空的重力变形所定义的曲线。(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可分割的联系，该联系代表了我们宇宙的构造，以及其中存在的所有物质和能量。我们所理解的重力，就是空间的曲率，以及物质和能量在时空中运动时对曲率的反应方式。物质和能量决定时空如何弯曲，而弯曲的空间决定物质和能量如何移动。

       紧接着，爱因斯坦意识到这样的图景会带来一个奇怪的结果，它很难与我们现有的宇宙相协调一致：一个充满物质的宇宙是不稳定的。通常，如果你有一个充满均匀数量稳定物质的空间，(无论其形状，大小或数量)它都会不可避免地坍缩形成一个完全球形的黑洞。

图解：在一个没有膨胀的宇宙里，你可以用你喜欢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作用的情况下，这样的宇宙是不稳定的，必须要膨胀才能达到稳定状态，否则我们就必须接受它不可避免的命运。(图源：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

       一旦物质变化到质量足够大且体积足够小，就会在特定位置形成视界。空间的球形区域(其半径由内部质量决定)将经历非常严重的弯曲，以至于任何经过并到达内部边界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端区域，但是没有光或物质可以从里面发射出来。然而，对于任何落入黑洞的物体，它都会不可避免地被带到黑洞的正中心：一个奇点。虽然物理定律在这一点上失效了——一些物理学家厚脸皮地将奇点称为“上帝除以零”的地方——但没有人会怀疑所有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重弯曲时空的插图。当你距质量的位置越来越近时，空间就会变得越来越弯曲，最终会到达一个从内到外连光都无法逃逸的位置：即视界。该位置的半径是由黑洞的质量、光的速度以及广义相对论单独决定的。理论上，应该有一个特殊的点，即一个奇点，在那里所有质量都集中在静止、球形对称的黑洞上。(图源：PIXABAY USER JOHNSONMARTIN)

       读到这儿您可能有反对意见了。毕竟，实际宇宙的运行方式还有很多种不同于这样朴素的引力坍缩图景的设想。

       ·在宇宙中，万有引力并不是唯一的作用力：当涉及到物质与能量时，核能作用力与电磁场同样也发挥着力的作用。

       ·黑洞并不是由物质分布均匀的坍缩形成的，而是当核聚变无法继续时，由大质量恒星的核心发生内爆形成的。

       ·或许最重要的是，我们已发现的所有恒星都是自旋的，而其角动量总是守恒，所以黑洞也应该是自旋的。

       那么，我们一起来看看吧: 让我们从一个近似的简单领域，进入一个更现实的黑洞运作的真实画面。

图解：2016年，水星横越太阳，但太阳盘上可见的大太阳黑子实际上通过一个更大的因素减少了其光的输出。通过观察太阳黑子随时间移动的位置，以及利用赤道与两极处的黑子要25至33个地球日才能完成的一次完整的公转，我们确定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)

       所有恒星都自旋。我们的太阳，是一个相当慢的旋转体，其完成360°旋转的时间范围是25至33天，具体时间取决于你监测到的特定太阳纬度。但是我们的太阳很大，密度很低，而宇宙中有太多极端天体，它们的物理尺寸和质量都很小。正如一个旋转的花样滑冰运动员将胳膊和腿往内收时其速度会加快一样。如果天体物质的半径减小，它们就会旋转得更快。

       如果太阳是一颗白矮星——其质量不变但物理尺寸与地球相当——那么它就会每4分钟自转一次。

       如果它成为一颗中子星——其质量不变而半径变为20km——它就会每2.4毫秒自转一次：这与我们观察到最快的脉冲星的速度一致。

图解：中子星是宇宙中密度最大的物质集合之一，但是它们的质量有一个上限。超越这个上限，中子星会进一步坍缩形成黑洞。我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：它的自转速度会比我们假设把太阳坍缩到中子星的大小时的速度还要快。(图源：ESO/LUÍS CALÇADA)

       也就是说，如果我们的恒星(或者任何恒星)坍缩成一个黑洞，我们也仍然需要角动量守恒。当这宇宙中的某物体在旋转时，你不可能脱离这种旋转的状态，就像你不能够创造或消灭能量或动量一样。它必须有一个去向。当任何物质集合坍缩到比视界小的半径时，角动量也会被困在其中。

       这是可以解决的！爱因斯坦1915年提出了广义相对论，而仅仅几个月后，卡尔·史瓦西就发现了第一个精确解：对于一个质量点来说，它会像一个球形黑洞一样具有自旋行为。用更现实的方式来对这个问题进行建模的下一步——考虑如果黑洞也有角动量，而不是只有质量——直到1963年，罗伊·克尔找到了精确解才得以实现。

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。它揭示的并非是一个单一的具有点状奇点的视界，而是一个内外视界，以及一个内外能层，外加一个半径相当大的环状奇点。(图源：MATT VISSER, ARXIV: 0706.0622)

       更朴素、更简单的史瓦西的解与更现实、复杂的克尔的解之间有一些基本且重要的区别。没有特定顺序，以下是一些有趣的对比：（以下为克尔的解）

       1. 在视界的位置并非只有一个解，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. 即使在外视界的外部，也有一个叫做能层的地方，在那里，空间本身以与光速相等的转速被拖曳着，粒子落在那里会经受巨大的加速度。

       3. 角动量与质量的最大比值有个极限；如果角动量太大，黑洞就会(通过引力辐射)将能量辐射出去，直到其低于这个极限。

       4. 也许最有趣的是，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定。

图解：哈勃望远镜拍摄的可见光/近红外照片显示，一颗质量约为太阳25倍的大质量恒星已经消失，既没有超新星也没有其他解释。直接坍缩是唯一合理的候选解释，也是已知除了超新星或中子星合并之外形成黑洞的一种方式。(图源：NASA/ESA/C. KOCHANEK (OSU))

       从你第一次创建视界概念的那一刻起，黑洞旋转这个假设就是成立的。一个大质量的恒星可以变成超新星，在那里旋转的核心内爆并坍缩成一个黑洞，所有这一切都将成为现实。事实上，甚至有这样的可能性，如果一颗超新星在我们的本星系群中消失，激光干涉引力波天文台也许能够从快速旋转的黑洞的衰荡信号中探测到引力波。

       通过中子星与中子星的合并，或者是恒星或气体云的直接坍塌来形成黑洞，这样的可能性都存在。但是，一旦你的黑洞存在，它的角动量就可能会随着新物质的落入而不断变化。视界的大小可以变大，而奇点和能层的大小可以变大或变小，这取决于新物质的角动量。

图解：具有角动量的真实黑洞周围有被拖曳着旋转的空间，由于这些空间的特性，在非旋转质量周围形成平面轨道的单个粒子，最终会在三维空间占据一个巨大的类环形状。(图源MAARTEN VAN DE MEENT / WIKIMEDIA COMMONS)

       这将产生一些你意想不到的有趣行为。在黑洞不旋转的情况下，其外部的物质粒子可以绕轨道运行、逃逸或落入内部，但仍将保持在同一平面上。然而，当一个黑洞旋转时，它会被所有的三维空间拖曳，同时它将会填充一个环绕黑洞赤道的环形区域。

       数学解和物理解之间也有一个重要的区别。如果我告诉你我有(4的平方根)个橘子，你会得出我有2个橘子的结论。数学上来看，你也很可能得出结论，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，只有一个有意义的解。然而，正如科学家们长期以来所指出的:......你不应该依据规律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确实存在，但是有足够的物理学理由来怀疑位于内视界之内的区域(可以被证明是柯西视界)，该区域是非常不稳定的——甚至是经典的不稳定——而且是不可能在任何真实的天体物理坍缩中形成的。

（注意：该图为动图GIF）

       图解：旋转黑洞的阴影(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关系有关。请注意，视界望远镜所看到的黑洞的阴影要比黑洞本身的视界或能层大得多。(图源：YUKTEREZ (SIMON TYRAN, VIENNA) / WIKIMEDIA COMMONS)

       由于视界望远镜的惊人成功，我们终于第一次观测到了黑洞的视界，科学家们已经能够将他们的观测结果与理论预测进行比较。通过运行各种各样的模拟程序，详细描述不同质量、自旋、方向和吸积物质流的黑洞信号，他们已经能够想出最适合他们所看到的结果。尽管存在一些实质的不确定性，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(大于冥王星轨道)的一维环奇点，

       ·其旋转轴指向与地球夹角约为17°，

       ·所有的观测结果都与克尔黑洞(比史瓦西更受欢迎)一致。

       图解：2017年4月，所有与视界望远镜相关的8个望远镜阵列都指向M87。这就是超大质量黑洞的样子，其视界清晰可见。只有通过甚长基线干涉测量技术，我们才能获得构建这样一幅图像所必需的分辨率，将来有一天我们甚至会将分辨率提高数百倍。阴影与旋转的(克尔)黑洞一致。(图源：EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION ET AL.)

       然而，也许所有这些结论中最一语中的的是，在一个旋转的时空中，空间本身就可以在没有任何速度限制的情况下运动。只有物质和能量在空间中的运动才受到光速的限制；而空间本身没有这样的速度限制。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。物质仍然不能以超过宇宙极限的速度穿过那个空间，所有这些都与相对论和我们所观察到的相符合。

       随着越来越多的黑洞成像，越来越多的观测结果得到改善，我们完全希望了解更多关于真实旋转黑洞的物理知识。但在那之前，我们要知道，我们的理论和观察正在引导我们走向一个极其深刻、内在一致的方向，而且——最重要的是——是我们目前所拥有的对真实情况最准确的预测。