黑洞最全科普（黑洞究竟为何物）

我将会分四个部分回答这个问题

什么是黑洞？

黑洞是怎么形成的？

为什么一个黑洞会有那么强烈的重力场？

黑洞分解出来是怎样的?

黑洞是在空间中有如此强烈重力场以至于它的逃逸速度超过了光速的位置。这意味着你的逃逸速度需要超过光速才能逃脱黑洞，就像下面的这张图片一样

图片来源：Frigg MnSU 宇航组

No, since a black hole reflects no light at all, it’s as black as can be.

当没有光可以逃脱一个黑洞时，他是黑色的，不是像你的衬衫一样的黑，是不能反射光的那种黑。

下面的图片是一个可以和黑洞类比的东西，它在一个确定的点上面，水流是如此的强烈以至于没有足够的速度逃离它。

图片来源：答案杂志

这确实是一个完美的类比，因为当我们不能直接学习黑洞因为我们不能观察他或者看到他们的内部 (我们只能推断出能够影响他们周围的星星的重力场的存在，并且我们能够看到来自陨落物体的放射性)，我们可以学习黑洞的类似物体，并且通过这样的类似物学习霍金辐射线（一个黑洞被想象成缓慢蒸发的过程）利用这些水流。

黑洞机器—六十个标志

黑洞是怎么形成的

这全部来自于一个巨大的星星，当星星把氢融合在更重的元素里(一个叫做热核聚变的过程),热量创造出一个向外的对抗来自重力的内部的压力，本质上来说，热压力防止星星在他自身的重力下突然崩塌，并且只要星星有燃料能融合和创造热量，热压力和重力达到平衡（叫做流体静力学平衡）

图片来源，版权所有Martin Silvertant

在某一点，星星用完了燃料，热压力下降，接着重力接管。核心塌陷就在这时发生了。终止在某一点，星星用完了燃料，这意味着热压力下降，接着就轮到重力接管。核心塌陷就在这时发生了。终止质量低于Chandrasekhar极限即太阳质量的1.4倍的星星将会崩塌然后进入白矮星，终止质量在Chandrasekhar极限和 Tolman–Oppenheimer–Volkoff极限(TOV极限)即太阳质量的2-3倍的星星会变成中子星,终止质量超过TOV极限的星星就会变成黑洞。这个终止质量和至少是太阳质量的25 倍的初始质量有关。

照片中的星星是太阳质量的30倍。当中心塌陷，叫做超新星的爆炸发生，这个过程里很多原料喷出到空间里面。

这是真正的超新星的照片

图像来源：NASA’s钱德拉X射线天文台

在下面的图片里面你可以看到一个星星的初始质量是怎么和它的终止质量联系到一起的。对于一个初始质量是太阳质量的30倍的星星，它的终止质量大概是太阳质量的4倍—足够形成一个黑洞

图片来源：Marco Limongi

我标记了图片中的两条线作为示范怎么读他的例子。一个其实质量在 25 M （太阳质量） 将会有一个大概 2 M 的终止质量记住TOV 极限是在。我还标注了一个蓝色的质量30 M 的星星，你可以看到相当于为 4 M 的终止质量。而且因为你可以看到任何一个内部质量低于 的星星会变成一个质量在0.88–1.44 M之间 的中子星

为什么黑洞有如此强烈的重力场

现在，这是很重要的点，重力场的优点取决于两个因素

物体的质量

你离这个物体有多远

图像来源，版权所有Martin Silvertant

如果你观察整个星星，它的半径比中子星和黑洞大的多。中子星和黑洞比这个小很多，但是比例差的很远。然而太阳周长1.3914百万km（一个太阳质量） ，一个典型的中子星直径大概20km，并且有三个太阳那么重的黑洞被认为是压缩成了一个点，尽管它的施瓦茨儿童半径(或者说重力的半径）在这个质量大概是8.86km（直径17.73km）。我一会会详细讲Schwarzschild 半径。

所以你有三个质量增长的物品，但是半径在降低。现在，尽管所有这三个东西由于质量不同而有不同力的重力场，他们的半径也是很关键的。如果我们假设所有这三个物品质量相同但是大小不同，然后为了感受来自中子星和的相同的重力场，你必须到这个星球里面去。但是，为了从普通星球开始体验来自中子星的相同的重力场，你可以离它有很长一段距离 (灵感来源于中子星周围的黄色圆圈),所以给你相同的质量但是更小的半径，你可以像离普通星球一样离中子星更近，并且所以你在中子星的表面就像在普通星球上一样将会经历更强烈的重力场。一个黑洞有更多的质量和更小的半径 (假定为一个点声源),所以当你靠近它的时候它的重力场是真的达到最极端的。当我们在开始的时候看，足够极端以至于不会很轻在宇宙里有

可能的最快的速度可以逃离，

什么是黑洞的分解

现在谈谈更有趣的点，黑洞的组成是什么？下面你可以看到一个黑洞的相关成分的简化版本。首先，我们谈论黑洞是怎么被压缩成一个点。正如我们所预料的，尽管实际上我们真的不知道黑洞是否真的是一个点声源。无论这个点声源是物理的还是数学的，它叫做一个重力奇点。这个奇点有一个区域逃离速率超过光速，由Schwarzschild半径定义。光不能逃出黑洞的的超越边界叫做黑洞边界即时空中的界限

质量弯曲时空，如果黑洞的质量密度扭曲时空到一个光都受到限制的程度。下面的图片给我们形容了它长啥样，尽管那是扭曲时空的二维代表，但实际上空间是扭曲的三维时空。因此最好还是想想时空内部弯曲，创造出一个重力井(下面有照片示意）

为更科学的东西做好准备了吗，让我们来看一个黑洞的更完整的解剖图，下面是一个Schwarzschild黑洞，它是一个更普遍的黑洞模型，它是一个不用充电的不回转的黑洞，没有Schwarzschild 十进制提供一个在黑洞里发生了什么的简单模型，几分钟后我们将会看到一个会回转的黑洞

图像来源，版权所有Martin Silvertant

像你能看到的，和黑洞相比这是两到三个额外的成分。一个黑洞有一个外部的边界，和一个内部的边界，或者柯西边界。柯西边界的一边包括关闭着的像空间一样的测地线，另一边包括关闭着的像时间一样的测地线。一个测地线是在扭曲的时空里两点之间最短的小路。当事件掉进黑洞里，它走最短的路径，并且超过柯西边界空间-时间测地线后反过来了。所以超过内部的黑洞边间，你不再在空间中旅行，而是在时间中旅行。如果你想要穿过这个边界，你会向着无法避免的未来即奇点移动。

在施瓦茨半径之外，有一个叫做光子层的界限，这里重力很强，光子被强迫在轨道中运行。在那个界限之上，你将会移动到黑洞的边界，但是在光子层里，光子会在轨道中运行至少一小会（轨道是不稳定的）。有趣的是圈子里的光子轨道是当你被定位在光子层中，在你的后面出发的光子将会绕着黑洞的轨道运行，并且将会被你的眼睛捕捉住，所以你可以在你的脑袋背后看到它。

并且最后，让我们看一个回转的黑洞，它要么是一个克尔黑洞（一个不需要电池的回转的黑洞）要么是一个克尔纽曼黑洞（一个需要电的回转的黑洞），黑洞只能有三个基础的属性:大，电池和角动量

图像来源，版权所有 Martin Silvertant

星星转动，并且当一个大星星塌陷进一个黑洞，它的角动量不只是保存在黑洞里，但是当他的半径大幅度下降，它的角动量也将随之上升。想象一下，当一个滑冰运动员停下他的手臂提升自旋速率，他瞬时的惯性将会下降。

图像来源：无界

黑洞的回转会造成 Schwarzschild半径将会由于离心力变成献身在修道院的人。而且重力奇点不再是一个点声源，但是是一个二维的环奇点。回转黑洞的一个重要的额外部分是能层（“黑洞”周围假设的封闭区），这是一个在黑洞的外层边界上的区域。这个能层触碰到了回转黑洞的南北极的黑洞的边界，并且扩大成为一个在赤道上的更大的半径，依靠黑洞的转动速度，这个能层将会要么像一个扁球要么像一个南瓜饼的形状。

当一个黑洞转动时，它以随着离黑洞边界距离下降的速度在转动的方向上扭曲时空，意味着离黑洞边界更近的时空将会被扭曲到一个比离黑洞边界更远的空间更重的程度。这个过程以参考系拖拽著名。由于这个拖拽的影响，而且有一个离得很远的外部的监测器在能层下的物体固定不动，否则这个物体因为当地的时空移动得比光速还快，而显然这是不可能的。因为能层在黑洞边界以外但是由于黑洞的转动在当地的物体会通过得到一些速率从而逃出黑洞。

作者: quora

FY: 午晶晶

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