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旋转(克尔)黑洞的事件视界与非旋转(史瓦西)黑洞的事件视界非常相似,只是黑洞旋转越快,引力势阱就越深:相同质量的克尔黑洞和史瓦西黑洞,前者形成的引力势阱比后者形成的更深,因此克尔黑洞会是比非旋转黑洞更强大的能量源。
我们会在第7章中重新介绍这一点。
同时为了帮助理解这种现象总结出的一个结论是:史瓦西黑洞的事件视界仅取决于质量,但克尔黑洞的事件视界取决于质量和自旋。
有一个特别的问题:即使只在理论层面上,是否存在未被包裹在事件视界中的时空奇点,也就是所谓的“裸奇点”
。
根据定义,爱因斯坦场方程的所有黑洞解都有事件视界,而正如第1章所示,光无法逃离这种视界,因此信息也不行。
我们认为所有的黑洞奇点都封闭在事件视界之中,也就是说不是“裸”
的,所以宇宙的其余部分无法获得有关奇点的直接信息——这就是英国数学家罗杰·彭罗斯所表述的所谓的宇宙监督猜想。
他提出所有通过正常的初始条件形成的时空奇点都被事件视界所隐藏,并且在空间中没有裸奇点。
太大的自旋有多大
黑洞所能拥有的角动量大小是有限制的。
这个极限取决于黑洞的质量,因此质量大的黑洞比质量小的黑洞旋转得更快。
接近它最大极限的旋转黑洞被称为极端克尔黑洞。
如果你试图加速一个黑洞的旋转来制造一个极端克尔黑洞,方法是朝它射入高速旋转的物质(也就是搅拌一下),最后旋转黑洞产生的离心力甚至会阻止物质进入事件视界。
离旋转黑洞的事件视界稍微远一点的地方是另一个重要的数学界面,被称为稳态极限面。
如果某个大质量物体的自旋不为零,那么在其稳态极限面内就不存在静止的观察者,这叫作对惯性参考系的拖曳:稳态极限面以内的每个可实现的参考系都必须旋转。
在这个界面内,空间旋转得非常快,以至于光本身也必须与黑洞一起旋转,而不能保持静止。
稳态极限面和事件视界之间的这个区域被称为能层,但很令人困惑的是能层并不是球形的[5],如图10所示。
在赤道方向上,能层要比事件视界大得多,但在两极方向上能层与事件视界的半径相同。
这导致了能层的形状是扁球形的,类似没有梗的加拉戴尔南瓜。
能层的前两个音节来自希腊语中的名词érgon,它与“工作”
或“能量”
有关[比如“人体工程学(ergonomics)”
一词],旧的能量单位尔格(erg)也来源于此。
值得注意的是,希腊语中还有一个表示围绕和远离的动词ergo,也很符合能层的性质。
也许这就是在给这个旋转黑洞周围的区域起名并推广开来时,罗杰·彭罗斯(RogerPenrose)和季米特里奥斯·赫里斯托祖卢(DemetriosChristodoulou)脑海中的依据。
能层的重要之处在于在这个区域里能够从黑洞中提取能量。
图10 史瓦西(静止)黑洞和克尔(旋转)黑洞周围不同的界面[在常用的“博耶-林德奎斯特(Boyer-Lindquist)”
坐标中表示]
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