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天文在线|进入黑洞之旅


当物质还在黑洞外面时 ， 取决于物质的形态 。 如果物质绕着黑洞的吸积盘轨道运行的气体 ， 原子之间会以越来越快的速度碰撞 ， 摩擦产生热量 ， 物质会被加热到非常高的温度 。 气体越靠近黑洞及其事件视界 ， 越多的引力能被转换成动能与热能 ， 最终原子间的碰撞过于剧烈以至于电子被剥离 ， 形成等离子体 。
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在这个过程中 ， 气体发射出的光能量越来越高 ， 从可见光 ， 到紫外线 ， 再到x射线 。 最后 ， 在它穿过事件视界之前 ， 炙热的气体发射出伽马射线 。 上图是物理学家Kovak Zoltan 计算的典型的吸积盘模型 ， 根据该模型 ， 一个200万太阳质量的黑洞 ，会以每百万年2.5个太阳质量的速率吸积质量 。 即使是在巨大的黑洞周围 ， 温度也非常高 。 这个黑洞的事件视界距离为600万公里 。 下图中横轴上的第一个标记是 “5” ， 意思是视界半径的5倍 ， 或者说距离黑洞中心3000万公里的位置 ， 大约是太阳到水星的距离!
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另外一种情况是当物质在被黑洞的引力捕获的恒星的内部 ， 恒星的轨道会在十几亿年间会由于引力辐射的发射而缩小 。 最终当恒星非常靠近黑洞时 ， 它的命运将取决于俘获它的黑洞的质量 。 如果它是个恒星质量级别的黑洞（约20倍太阳质量） ， 黑洞的潮汐引力将会使这个恒星从一个圆球体变成足球状（橄榄球状） ， 最终恒星近黑洞与远黑洞两端的引力差异过于巨大 ， 导致恒星不能将自身保持为一个整体 ， 它将被黑洞的引力撕碎 ， 大部分质量进入黑洞周围的吸积盘 。
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如果这个黑洞的质量超过十亿个太阳的质量 ， 那么黑洞的较弱的潮汐引力使恒星可以完整地穿过视界 。 可以说恒星基本上被完整地吞噬了 ， 在恒星进入黑洞前不会产生任何引人注目的辐射光线 。 下图是这个过程的艺术视角 。
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在黑洞视界内部 ， 被俘获的物质的命运就只能靠猜测想象了 。 广义相对论告诉我们有两种类型的黑洞 ， 一种是不旋转的 ， 另一种是旋转的 。 两种类型在事件视界内部有不同的结构 。 对于不旋转的施瓦西黑洞（Schwarzschild black hole） ， 物质必将与奇点的碰撞 。 假设有一个时钟和进入黑洞的物质一起进行及时 ， 在一个恒星级的黑洞中 ， 物质只要几微秒就从视界到达奇点了 ， 在一个超大质量的黑洞这个过程则需要几小时 。
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我们无法预测在奇点发生了什么 ， 因为理论上那里的重力是无限大的 。 对于旋转的克尔黑洞 ， 内部结构就更复杂了 ， 某些物质靠近黑洞的轨迹 ， 原则上可以使其避免与奇点碰撞 ， 并且有可能在几千年或几十亿年后在黑洞中再次出现 。 一些奇怪的理论认为进入黑洞的物质会完整地再出现在另一个宇宙 ， 但是物理学家认为那些解释不准确 。
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问题是 ， 真实物理事件产生的黑洞内部充斥着重力辐射 ， 使得时空的几何结构非常不稳定 ， 导致这种状况很难实现 。 即使最简单的不旋转的施瓦西黑洞 ， 其内部结构也是难以想象的 。 数学家说在事件视界外面 ， 一个粒子通常会经历空间和时间 。 这个粒子(还有你)能自由地沿着R-径向坐标轴在空间中旅行 ， 但是无法在时间T坐标轴上自由移动 。 你可以通过高速旅行的时间膨胀效应加快或减慢你所经历的时间流逝速度 ， 但是不能够倒退回去 。 在事件视界有一些奇妙的事发生 ， 我们用来表示时间和空间的数学变量R和T,在定义时空距离方程中混在了一起这意味着空间坐标R变得像时间坐标一样 ， 我们无法在空间坐标中自由行动 ， 无法避免地在奇点（R=0）处被压扁 。


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