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04 落入黑洞 Falling Into a Black Hole(第4页)

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但是在之前充斥着太阳等离子体的地方,会存在一些更接近太阳形成的黑洞的新轨道。

不过这些轨道不能离事件视界太近。

质量奇点使时空弯曲的一些细节意味着在刚刚超出事件视界之外的地方绕转是不可能的。

试图沿着圆形轨道绕转就需要用火箭进行修正以维持轨道。

实际上,数学计算表明,对于我们或任何有质量的粒子来说,可能存在于静态黑洞附近的稳定圆形轨道的最小半径是史瓦西半径的3倍。

正如前面我提醒过你的。

实际上,不稳定的圆形轨道距史瓦西(无旋转)黑洞的距离可能会达到这个距离的一半。

这个距离定义了一个有时被称为光子球的球面。

但即使对于光子来说,这些轨道也是不稳定的,并且在不久之后,绕转的光子将要么向黑洞偏离再也回不来,要么就跑到太空中去了。

对于存在自旋的克尔黑洞而言,黑洞附近的轨道会有所不同。

特别是与静态的史瓦西黑洞周围只有一个光子球不同,这里会存在两个光子球。

最外层的球面上是与黑洞旋转方向相反(也就我们所说的在逆行轨道上)的光子。

在其内部的光子球上则是与黑洞旋转方向相同(在顺行轨道上)的光子。

对于那种与史瓦西黑洞并没有太大不同的自转非常缓慢的黑洞,这两个光子球在空间距离上非常接近。

随着黑洞的自旋越来越快,两个球面间也将越来越远。

离旋转黑洞更近的地方,还有着另一个重要的界面(在第3章中讨论过),被称为稳态极限面。

在一个遥远的观测者看来,没有任何东西可以在这个表面上保持静止——就算你装备的火箭无比强大,都不可能在离旋转黑洞这么近的地方保持不动。

在这个界面上,即使是反向(转动)的光线也会被拖成顺着旋转方向转动。

虽然仍然可以借助足够的推力从如此靠近旋转黑洞的地方逃离,但是在这里任何东西都不可能保持静止不转。

继续向内前进,下一个重要的表面就是我们在第1章中讨论的事件视界,这也是我们最初在史瓦西黑洞情况下遇到的单向膜。

和静态黑洞的情况一样,向外穿越事件视界是不可能的,而向内穿越它所面临的命运则不可避免地和向内穿越无旋转黑洞一样。

克尔黑洞周围的轨道一般不会被限制在某个平面上。

只有那些落在赤道面上的轨道才是被限制在平面上的轨道(与旋转黑洞的镜像对称的平面)。

这个赤道面外的轨道会在三维空间中移动。

这些轨道被限制在由最大和最小半径以及被赤道平面的最大角度所限制的范围内。

黑洞自旋这一细节对粒子能离黑洞多近有着显著影响,并且取决于粒子相对于自旋的行进方向。

对于极限自旋的黑洞,轨道与黑洞自旋同向(正旋)的光线对应的光子球的半径是史瓦西半径的一半。

对于逆行轨道上的光线,其光子球的半径是史瓦西半径的两倍。

对于顺行轨道上的有质量粒子,它们可以绕转的最内稳定圆轨道也是史瓦西半径的一半。

对于逆行轨道上的那些粒子,这么近的距离将是不稳定的,它们的最小稳定圆形轨道是史瓦西半径的4.5倍。

因此,相比无转动的黑洞,旋转的黑洞可以让顺行轨道上的粒子在更靠近黑洞的轨道上运转,只要还没到事件视界粒子就有回头的余地,否则将变得无法返回。

在第7章中,我们会考虑这两件事的重要性:物质在落入黑洞之前能绕着多靠近黑洞的轨道运转,以及可以从中提取多少能量。

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