cosmos

黑洞中心会发生什么?所有的可能性都很奇怪

2020 / 12 / 04新浪科技
Tags 黑洞
无限密度点的概念来自于我们对静止、不旋转且不带电的黑洞的认知。真正的黑洞要有趣得多,尤其是当它们旋转的时候
无限密度点的概念来自于我们对静止、不旋转且不带电的黑洞的认知。真正的黑洞要有趣得多,尤其是当它们旋转的时候

12月4日消息,黑洞中心的奇点是终极的“无主之地”:在这里,物质被压缩到一个无限小的点,所有关于时间和空间的概念都被完全打破。事实上,奇点并不存在;必须有什么东西取代奇点,但我们还不确定是什么。接下来,让我们来探索一些奇怪的可能性。

普朗克恒星

在黑洞的深处,物质可能不会被压缩成一个无限小的点。相反,物质可能具有一个最小的可能构型,也就是最小的可能体积。

这就是所谓的“普朗克恒星”(Planck star),一种圈量子引力论中设想的天体。当坍缩恒星的能量密度达到普朗克能量密度时,普朗克恒星就产生了。圈量子引力论本身就是一个高度假设的理论,与弦理论同为当今将引力量子化最成功的理论。在圈量子引力的世界里,空间和时间都是量子化的,即我们周围的宇宙是由微小的离散块组成的;但在如此微小的尺度下,我们的运动看起来却是平滑而连续的。

这种理论上的块状时空有两个优势。首先,它实现了量子力学的“梦想”——以自然的方式来解释引力;其次,它使得奇点不可能在黑洞内形成。

当物质被坍缩恒星的巨大引力压扁时,会遇到阻力。时空的离散性阻止物质达到任何小于普朗克长度(约为1.68×10^-35米)的长度。所有落入黑洞的物质都被压缩成一个不比这一尺度大多少的球。极其微小,但绝对不是无限小。

这种对持续压缩的抵抗最终迫使物质“反坍缩”(即爆炸),黑洞也因此成为暂时性的物体。然而,从宇宙之外的角度来看,由于黑洞周围的极端时间膨胀效应,它们的“反坍缩”需要数十亿年甚至上万亿年。

引力真空星

另一个消除奇点的尝试——不依赖于未经验证的量子引力理论——则是所谓的“引力真空星”(gravastar)。这是天体物理学中的一种假想星体,可以作为黑洞理论的替代学说。

黑洞和引力真空星的区别在于,后者没有奇点,而是充满了暗能量。暗能量是一种渗透时空,使其向外膨胀的物质。这听起来像科幻小说中的设定,但却很可能是真实存在的:暗能量目前正在更大的宇宙中运行,导致我们整个宇宙加速膨胀。

当物质落在引力真空星上时,它实际上无法穿透事件视界(由于内部的暗能量),因此只能悬在表面。但在这个表面之外,引力真空星的外观和行为都很像普通的黑洞。

然而,近年来用引力波探测器观察到的黑洞合并事件可能排除了引力真空星的存在,因为引力真空星的合并会产生与黑洞合并不同的信号。激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座干涉仪(Virgo)已经发现越来越多这样的例子。尽管引力真空星在我们的宇宙中还不能绝对排除,但目前来看,确实可能性越来越小了。

寻找旋转的迹象

普朗克恒星和引力真空星可能有着听起来很了不起的名称,但它们是否真的存在还是疑问。因此,黑洞的奇点或许有一个更平常的解释,一个基于对我们宇宙中黑洞更细致和现实的看法的解释。

无限密度点的概念来自于我们对静止、不旋转且不带电的黑洞的认知。真正的黑洞要有趣得多,尤其是当它们旋转的时候。

黑洞的旋转会将奇点拉伸成一个环。根据爱因斯坦的广义相对论的数学(这也是我们唯一拥有的数学工具),一旦你通过环状奇点,你就进入了一个虫洞,然后穿过白洞进入一个全新的宇宙区域。所谓“白洞”,就是与黑洞性质截然相反的时空区域,光和物质无法进入这个区域,但可以从这个区域向外放射。

其中的一个挑战是:旋转黑洞的内部极不稳定。旋转黑洞的问题正在于“旋转”。奇点被拉伸成一个环,以惊人的速度旋转,产生了难以置信的离心力。在广义相对论中,足够强的离心力会起到反引力的作用:推,而不是拉。

这就在黑洞内部形成了一个边界,称为“内视界”。在这个区域之外,辐射在极端引力的作用下落向奇点。但是,辐射受到奇点环附近的反引力推动,转折点便是内视界。遇到内视界时,你将会面对一堵无限能量辐射的墙——整个宇宙过去的历史,在一瞬间都会爆发出来。

内视界的形成为黑洞的毁灭播下了种子,然而旋转的黑洞又的确存在于我们的宇宙中。因此,这就告诉我们,上述数学计算并不准确,一些奇怪的事情正在发生。黑洞里面到底发生了什么?我们不知道——可怕的是我们可能永远都不会知道。