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宇宙解码 - 比施瓦西黑洞更厉害的克尔黑洞

2020-3-24 07:09| 发布者: 桥江镇的镇江醋| 查看: 3896| 评论: 0|原作者: IT之家|来自: IT之家

摘要: 克尔黑洞是宇宙中最极端的黑洞,为什么这么说呢?从克尔黑洞图片中可以看出这是一个告诉旋转的黑洞!因为黑洞被认为是性质最为简单的天体,通常只需三个量(质量、角动量和电荷)就可以完全描述它。而天体物理当中的

克尔黑洞是宇宙中最极端的黑洞,为什么这么说呢?从克尔黑洞图片中可以看出这是一个告诉旋转的黑洞!

比施瓦西黑洞更厉害的克尔黑洞 - 后花园网文 - 探索新闻

因为黑洞被认为是性质最为简单的天体,通常只需三个量(质量、角动量和电荷)就可以完全描述它。而天体物理当中的黑洞更为简单,质量和角动量两个量。角动量又常用归一化的无量纲自旋参数来表示,其绝对值的变化范围在0和1之间。0代表史瓦西黑洞(不转黑洞),1代表极端克尔黑洞(转动最大值);自旋参数的正负号代表了黑洞自旋和吸积盘的转动方向是否一致:一致为正,否则为负。

极端克尔黑洞,无论是在限制大质量恒星演化、检验喷流产生机制,以及验证广义相对论等众多领域,都有着重要作用。寻找极端自旋黑洞将对这些研究方向提供重要的观测限制。尽管2011年的研究结果表明天鹅座黑洞为极端克尔,但此性质需加以确认。受观测模式和时间限制,2011年工作所使用的X射线光谱质量相对较差,而且只有一个符合分析条件的光谱。为了确认天鹅座黑洞自旋的本质,研究人员申请了更多的X射线望远镜观测时间和采取了更佳的观测模式。在此次发表的文章中,不仅得到了更多的光谱(5次观测11个光谱,6个可用光谱),而且光谱质量也比之前更好。从而在确认之前极端克尔黑洞的同时,对此黑洞的角动量做出了更强限制:自旋参数大于0.983(99.7%的概率;最大值为1)。

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此研究中所涉及的自旋测量方法为X射线连续谱拟合方法,是通过拟合来自黑洞吸积盘的整体黑体辐射来得到自旋值。此方法最初为高能物理所/国家天文台的张双南研究员等人于1997年提出,经过哈佛史密松天体物理中心科研人员的多年努力发展,目前被公认为测量恒星级黑洞自旋的最可靠方法。

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干,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。

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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,则情况立即简化。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。

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。科学总是这样,理论与实验相互促进发展。

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。


克尔黑洞引力大吗

和不转动的史瓦西黑洞相比,转动的克尔黑洞的内部结构要复杂得多。它的奇点是一个平躺在赤道面上的圆环,而不再是一个点。如果宇航员穿过这个环就到达对面的区域,那里有一个白洞,它像一个弹射器,能把宇航员立即“发射”到有待发现的外部世界,即另一个宇宙中。另外,在克尔黑洞的真实视界边界以内还有着第二个视界(内视界)。这个球形面包围开“保护”着圆环状的奇点,内、外视界间的区域不受奇异性的影响(指从奇异环发出的信号不可能逃出内视界)。随着黑洞角动量的增大,内视界膨胀而外视界收缩,二者趋于重合。

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克尔黑洞是怎样形成的

克尔黑洞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,则情况立即简化。

转动的克尔黑洞的内部结构复杂。

它的奇点是一个平躺在赤道面上的圆环,而不再是一个点。

如果宇航员穿过这个环就到达对面的区域,那里有一个白洞,它像一个弹射器,能把宇航员立即“发射”到有待发现的外部世界,即另一个宇宙中。

起初我和很多网友一样并不知道什么是克尔黑洞,直到前几天我无意中看到一篇几年前关于克尔黑洞的报道,报道上说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。

仔细看看这张整体模拟图像表面上确实很简单,形状很像一个早晨刚盛开的喇叭花,当然了这只是简单的模拟了黑洞的表象,正所谓透过现象看本质,不过这还需要一个漫长的过程来论证。

据美国《每日科学》网站报道,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。

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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。

研究人员可借由图像分析,在克尔黑洞环境中如何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,但研究人员仍希望,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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