黑洞究竟是一个球体还是一个漩涡？
2024-11-19 阅读 98
更新于 2024年11月22日
不旋转的黑洞是球体；旋转的黑洞常用漩涡作为类比
以下介绍的黑洞都是指的是永恒存在的孤立黑洞，理论中的理想黑洞，但是有些可以对现实中的黑洞作一个很好的近似：
〇、概念的简单介绍根据黑洞“无毛定理”，或者叫“三毛定理”，渐近平直的(3+1维)宇宙中，永恒存在的孤立黑洞只用三个参数即可完整描述：表观质量M，电荷Q，自转角动量J
史瓦西黑洞=既不带电也不旋转的黑洞
莱斯纳-诺德斯特诺姆黑洞（R-N黑洞）=带电不旋转黑洞
克尔黑洞（Kerr黑洞）=旋转不带电黑洞（Q=0）
克尔-纽曼黑洞（Kerr-Newman黑洞，K-N黑洞）=旋转带电黑洞
一、黑洞的重要参数、几何单位制的科普前面那些说黑洞自转无法被定义的，打脸来了
根据黑洞“无毛定理”，或者叫“三毛定理”，渐近平直的(3+1维)宇宙中，永恒存在的孤立黑洞只用三个参数即可完整描述：表观质量M，电荷Q，自转角动量J；三个参数都能几何化
因为广义相对论是个时空几何理论，把各种参数几何化是非常有必要的：
r_M=\frac{GM}{c^2}r_M=\frac{GM}{c^2} ；注意史瓦西半径 r_s=2r_M=\frac{2GM}{c^2}r_s=2r_M=\frac{2GM}{c^2}
r_Q=\sqrt{\frac{G}{k_Q}}\frac{Q}{c^2}r_Q=\sqrt{\frac{G}{k_Q}}\frac{Q}{c^2} ，其中 k_Q=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}k_Q=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0} ，为库仑力常数
量纲为长度的比(自旋)角动量 a=\frac{J}{Mc}a=\frac{J}{Mc}
注意这三个量的量纲都是长度的量纲
此外还有无量纲化的自旋参数 a^*=\frac{a}{r_M}a^*=\frac{a}{r_M} ，这是个没量纲的纯数
对于任意真实黑洞， |a^*|所以任意位置的角速度即为： \Omega = - \frac{{{g_{t\varphi }}}}{{{g_{\varphi \varphi }}}}\Omega = - \frac{{{g_{t\varphi }}}}{{{g_{\varphi \varphi }}}}
对克尔-纽曼黑洞来说，任意位置的角速度为：
\Omega = \Omega \left( {r,\theta } \right) = - \frac{{{g_{t\varphi }}}}{{{g_{\varphi \varphi }}}} = \frac{{\left( {2Mr - {Q^2}} \right)a}}{{\Sigma \left( {{r^2} + {a^2}} \right) + \left( {2Mr - {Q^2}} \right){a^2}{{\sin }^2}\theta }} = \frac{{\left( {2Mr - {Q^2}} \right)a}}{{\left( {{r^2} + {a^2}{{\cos }^2}\theta } \right)\left( {{r^2} + {a^2}} \right) + \left( {2Mr - {Q^2}} \right){a^2}{{\sin }^2}\theta }}\Omega = \Omega \left( {r,\theta } \right) = - \frac{{{g_{t\varphi }}}}{{{g_{\varphi \varphi }}}} = \frac{{\left( {2Mr - {Q^2}} \right)a}}{{\Sigma \left( {{r^2} + {a^2}} \right) + \left( {2Mr - {Q^2}} \right){a^2}{{\sin }^2}\theta }} = \frac{{\left( {2Mr - {Q^2}} \right)a}}{{\left( {{r^2} + {a^2}{{\cos }^2}\theta } \right)\left( {{r^2} + {a^2}} \right) + \left( {2Mr - {Q^2}} \right){a^2}{{\sin }^2}\theta }}
克尔黑洞是克尔纽曼黑洞在电荷Q=0的情况：
\Omega = \Omega \left( {r,\theta } \right) = - \frac{{{g_{t\varphi }}}}{{{g_{\varphi \varphi }}}} = \frac{{2Mra}}{{\Sigma \left( {{r^2} + {a^2}} \right) + 2Mr{a^2}{{\sin }^2}\theta }} = \frac{{2Mra}}{{\left( {{r^2} + {a^2}{{\cos }^2}\theta } \right)\left( {{r^2} + {a^2}} \right) + 2Mr{a^2}{{\sin }^2}\theta }}\Omega = \Omega \left( {r,\theta } \right) = - \frac{{{g_{t\varphi }}}}{{{g_{\varphi \varphi }}}} = \frac{{2Mra}}{{\Sigma \left( {{r^2} + {a^2}} \right) + 2Mr{a^2}{{\sin }^2}\theta }} = \frac{{2Mra}}{{\left( {{r^2} + {a^2}{{\cos }^2}\theta } \right)\left( {{r^2} + {a^2}} \right) + 2Mr{a^2}{{\sin }^2}\theta }}
求解 \frac{1}{g_{rr}}=0\frac{1}{g_{rr}}=0 即 \Delta = {r^2} - 2Mr + {a^2} + {Q^2}=0 \Delta = {r^2} - 2Mr + {a^2} + {Q^2}=0 ，解得事件视界(外视界)和柯西视界(内视界)的r，
事件视界 r_+=M+\sqrt{M^2-a^2-Q^2}r_+=M+\sqrt{M^2-a^2-Q^2} ；柯西视界 r_-=M-\sqrt{M^2-a^2-Q^2}r_-=M-\sqrt{M^2-a^2-Q^2}
代入得，事件视界的角速度： \omega {\rm{ = }}\frac{a}{{2M{r_ + }}} = \frac{a}{{{r_s}{r_ + }}}\omega {\rm{ = }}\frac{a}{{2M{r_ + }}} = \frac{a}{{{r_s}{r_ + }}}
注意，事件视界上每个点位都是这个角速度
三、现实中常见的黑洞是什么样的？在内视界以外，最符合我们宇宙中常见的黑洞的度规是克尔度规（旋转不带电黑洞）：原因我在
为何史瓦西黑洞看上去是半径的近2.6倍——引力透镜效应的定量计算(一)_哔哩哔哩_bilibili
这个视频里解释得很详细，黑洞可以有很高的角动量，但是很难有很高的电荷，我列举的理由如下：
①黑洞坍缩前的恒星，常常都有自转，坍缩过程中角动量基本守恒，坍缩到较小尺寸时，常常有较高转速
②多个较小的黑洞，合并成为一个大黑洞时，其角动量的来源，不仅包括它们各自的自旋角动量，还包括它们之间的轨道角动量。即使是两个不自转的史瓦西黑洞，如果初始条件合适，仍然可能会合并成为一个 \frac{a}{M} = \frac{{\sqrt 2 }}{2}\frac{a}{M} = \frac{{\sqrt 2 }}{2} 的高角动量克尔黑洞
③自旋参数 {a^*} = \frac{a}{M}{a^*} = \frac{a}{M} 的绝对值取值范围是[0,1]，实际上1取不到，而根据几何概型，取到0的概率是0
④角动量并不会像电荷一样，强烈地“同性相斥、异性相吸”；如果一个黑洞带有高电荷，它可以吞噬带有相反电荷的粒子，迅速中和自身电荷；同时宇宙整体呈电中性，黑洞自然形成时不会带有大量电荷。但是对角动量来说并没有这些类似电荷的性质。
综上，真实宇宙中的黑洞，电荷可以忽略，但是自旋角动量不可忽略；因此用克尔度规描述现实中的黑洞，能在准确的基础上，保证形式的简洁。
肯定不是漩涡，因为黑洞本身毕竟是一个有质量的天体，它又不是电视里演的那种虚空。
它本身是不是球体，没有确切的理论，目前的一切都是物理学上的假想。也就是关于黑洞的物理模型都是纯数学上的推导，只不过没有更确切的理论去推翻他，所以就暂时那么样。
电视里面演的那种像球体一样的东西叫“视界”，它不是物质化的边界，只不过跨越了这个区间往里，光线进去以后就再也出不来了，里面的光线或电信号或实体粒子什么的也没法发出来。所以视界里面到底长得什么样，里面是啥东西，没有信息传出来，就不知道。你就理解为是个黑箱子，未知区域。
打个比方，我们天朝东北部那个恩情太阳国，里面到底是个啥真相，基本上没有人知道。如果你把芦洞挡的官方宣传当成假话不顾一屑，那该区域也是个“视界”。
其实这个可以在水里做实验，就是做一个圆形全天窗玻璃的球形船，然后到水里漩涡那里体验下，别忘了装上各种仪器，保留这个数据。身边的漩涡就是最好的实验处
黑洞（英文：Black Hole，简称BH）是由广义相对论所预言的，存在于宇宙空间中的一种致密天体。黑洞的引力极其强大，使得视界内的逃逸速度大于光速。故而，黑洞是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体。
1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）通过计算得到了爱因斯坦场方程的一个真空解，这个解表明，如果一个静态球对称星体实际半径小于一个与质量相关的定值，其周围会产生奇异的现象，即存在一个界面——“视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这个定值称作史瓦西半径，这种“不可思议的天体”被一位科学记者安·尤因（Ann Ewing）在1964年的文章中称为“黑洞”，随后被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）采用并迅速推广开来。
2024年2月，澳大利亚国立大学研究人员领衔的团队在英国《自然·天文学》杂志上发表论文说，他们发现了迄今已知成长最快的黑洞，它每天吞噬掉的物质质量相当于一个太阳。
从5岁就开始看天文爱好者的老头子来说两句，虽然我是搞IT的，或者是被IT搞的，但看见这个话题我真是忍不住。
首先黑洞是一个球，一个半径同纬度点的半径完全相同的球，但这个球本身是高速旋转的。进入黑洞引力范围的物质在环绕黑洞旋转的过程中形成吸积盘以光速等级的速度相互碰撞放出极大的能量，吸积盘产生的磁场和黑洞自身的磁场调整不同初始方向的物质进入方向一致的旋转方向，吸积盘发出各种频率的射线，这些包括可见光内的各种波长的光线看起来就是漩涡，由于吸积盘相对观察者的旋转方向不同产生的红移导致这个漩涡的“亮度”不同。
另外喷流的方向也是漩涡状，这是被黑洞本身的引力场和磁场电场拖曳形成的。
