为什么黑洞从外部看上去像在燃烧？ 为什么我们假设黑洞是球形的？

小深

黑洞是宇宙中引力极强的区域，任何物质，甚至连光都无法逃脱，其特征是存在一个被称为事件视界的边界。理论上，黑洞的中心存在一个奇点：由于时空曲率无限大，现有科学理论在此失效。行星、恒星和黑洞周围的引力作用区域呈球形，因为它们向各个方向均匀拉动。黑洞周围的吸积盘使物质看起来像在燃烧，因为物质快速旋转并辐射大量热量。黑洞是所有宇宙现象中最令人着迷的现象之一。本质上，黑洞是宇宙中彻底颠覆我们对空间和时间运作方式直觉的场所。在电影中，它们常常被描绘成终极危险——贪婪的怪物，会伸出手抓住任何不知情落入其引力场的宇宙飞船。更奇怪的是，它们的内部笼罩在神秘之中。科学家利用爱因斯坦的广义相对论告诉我们，黑洞的中心是一个奇点：一个质量至少相当于太阳五倍的地方，被压缩成一个体积为零的点。。

为什么黑洞从外部看上去像在燃烧？想象一下，你坐在宇宙飞船里，透过窗户望向黑洞。你会以为那里一片漆黑，对吧？毕竟，黑洞以吞噬一切靠近的物质而闻名，但问题在于——黑洞常常看起来像着火了一样，散发出强烈的光和能量。这是怎么发生的呢？在本文中，我们将探索造成这种炽热幻象的迷人元素和过程。
为了理解这一现象，我们需要先了解黑洞是什么。黑洞并非传统意义上的“洞”；相反，它们是引力极其强大的区域，任何东西，甚至连光都无法逃脱。任何靠近黑洞的物质都会被吸入并消失。黑洞的大小各不相同。恒星质量的黑洞是由大质量恒星的残余物形成的，体积相对较小。它们的温度可能只有几百万度，因此看起来像宇宙余烬。
另一方面，超大质量黑洞的质量可能是太阳的数百万倍甚至数十亿倍，是宇宙中的巨无霸。当它们吞噬周围物质时，会变成发光的类星体，辐射出巨大的能量。超大质量黑洞周围的吸积盘就像星系炽热的心脏，闪耀着光芒。然而，需要注意的是，这些光来自吸积盘外部，而非黑洞本身。
现在，最激烈的部分来了。当恒星、行星或任何其他形式的物质过于靠近黑洞时，它们会形成所谓的“吸积盘”。这就像黑洞周围一个旋转的、过热的宇宙交通堵塞。
随着吸积盘中的物质越来越接近黑洞，它们会变得异常高温，升温并释放能量。这种强烈的热量会产生明亮的X射线、紫外线，甚至可见光。因此，黑洞周围的炽热景象实际上来自于这个旋转的吸积盘，而不是黑洞本身。随着这些物质越来越接近黑洞，它们的速度和温度都达到了惊人的程度，甚至超过了太阳表面的温度。这个炽热的球体发出耀眼的光芒，使黑洞看起来像是在燃烧。
这道火环的中心正是黑洞本身，周围环绕着它的事件视界。这是最终的不归点，任何穿过这里的东西都必然会被拉入黑洞。它是可见宇宙与黑洞隐秘深处之间的分界线。
事件视界如同一道不可逾越的屏障，隐藏着巨大的引力以及其中可能发生的各种奇异事件。当任何物体越过这条线时，无论是恒星还是光点，都会被永远困在黑洞中。这就是为什么我们从外部看黑洞时，它们看起来一片漆黑。任何越过事件视界的物体都无法返回，也无法发出任何形式的光。
仔细观察黑洞，你会发现在事件视界阴影边缘处，存在着细密的光环。这些明亮的光环并非独立的光源，而是周围吸积盘的扭曲表现。在光子球内，来自吸积盘的通量绕黑洞运行数圈后才脱离出来。这些光环虽然在靠近黑洞时会变得更加暗淡和扭曲，但却营造出黑洞事件视界周围一道光芒四射、炽热边界的幻觉。该区域光与引力的相互作用强化了外壳燃烧的假象。
在靠近吸积盘内缘的地方，会发生一种更加令人困惑的现象。一些朝着黑洞方向螺旋旋转的物质突然被重新定向。这产生了一对粒子喷流，它们从黑洞射出，与吸积盘的两侧相反。这些喷流包含以极高速度运动的粒子，它们喷出时产生的力甚至接近光速！
天文学家仍在试图理解这些粒子喷流背后的机制，但它们又为人们营造出燃烧黑洞的幻觉提供了另一种元素。对于位于银河系中心、质量超过太阳十亿倍的黑洞来说，这些喷流可以延伸到极远的地方，达到数百甚至数千光年。当这些喷流与我们的视角对齐时，多普勒辐射会放大指向我们的喷流的亮度，再次使其看起来像是火焰喷流。。

这个问题引领科学家们踏上了一段不可思议的旅程，探索理论物理和数学。目前，最普遍的观点是，由于引力和物理定律，黑洞是球形的。然而，这不禁让人思考，是否存在其他形状的黑洞，而这些形状尚未被探索过。天体物理学的传统观点认为黑洞是球形的。这是因为引力将所有物质拉向质心，形成一个球体。这种观点也适用于黑洞的事件视界，至少在一个拥有三维空间和一维时间的宇宙中是如此。我们在行星和恒星中也观察到类似的现象，气体和尘埃分子云向中心聚集，形成核心。
然而，在理论物理学的世界里，事情已经发生了变化。除了已知的三维空间和一维时间之外，还存在其他维度的可能性。在这些额外的维度中，物理学家们正在思考黑洞是否可能拥有不同的形状。
科学家，尤其是理论物理学家，对宇宙的基本本质充满好奇。他们提出了一个观点：宇宙中可能存在着比我们已知的三个空间维度以及时间维度更多的维度。这些额外的维度，即使我们无法看到或触摸到，也可能对空间中的事物运作产生重大影响。
在这些额外维度中，黑洞呈球形的通常规律可能并不完全正确。科学家们一直在用数学来探究黑洞在这些额外维度中可能呈现出的形状，你猜怎么着？他们发现了一些有趣的可能性。或许黑洞的形状可能与我们一直以来的认知不同。黑洞并非球形，这是一种思考宇宙的新方式，尽管它目前还没有任何直接的现实世界效应。这就像为我们理解太空打开了一扇通往新可能性的大门。
这个领域不仅仅是理论科学；它也展现了现实世界中令人兴奋的发现的可能性。粒子物理学家已经考虑过这样一个想法：微型黑洞可以通过在粒子加速器内产生高能碰撞来产生。如果我们能够在这些微小黑洞短暂存在期间探测到它们，或许就能为宇宙中存在更高维度提供证据。理论物理学与实验科学的交汇令人着迷。我们对非球形黑洞的理解，虽然目前仍停留在理论阶段，但终有一天可能会成为现实。在持续探索黑洞的过程中，我们不仅拓展了对黑洞的认知，也突破了我们对宇宙本身理解的界限。
长期以来，专家们一直假设黑洞是球形的。然而，我们对更高维度的探索以及关于非球形黑洞的数学启示，促使我们重新思考我们对宇宙的认知。尽管这些理论发现可能不会对现实世界产生直接影响，但它们开辟了一个充满可能性的世界，或许会改变我们对宇宙的理解。
20多年来，科学家们已经知道并非所有黑洞都是球形的，尤其是在高维空间中。最近的理论物理学研究表明，存在于通常三维空间以外的黑洞可以呈现各种形状。这与我们一直以来对这些神秘的、吞噬恒星的物体的理解截然不同。
这一发现基于阿尔伯特·爱因斯坦创立的数学。他创立的方程式帮助我们理解空间和时间如何在黑洞等超大质量物体周围弯曲。简而言之，这些方程式告诉我们黑洞的形状。在正常维度下，黑洞是圆形的，但在更高维度下，情况会变得更加有趣和复杂。随着我们对宇宙的科学探索不断深入，人们对黑洞、引力和宇宙结构的理解也在不断演变。对非球形黑洞的探索，体现了人类对宇宙中最神秘物体的好奇心。无论这些独特的形状是否存在于宇宙中，理解和解开黑洞奥秘的旅程无疑将在未来带来更多惊人的发现。。

那么，黑洞的真相究竟如何？奇点理论真的成立吗？让我们从最简单的开始。在黑洞之外很远的地方，它们所施加的引力其实非常普通。如果用一个质量相同的黑洞代替太阳，地球将继续在太阳系中庄严地运行，每365.25天绕黑洞一周。诚然，地球会变得黑暗并开始冻结，但从引力的角度来说，不会有任何变化。
然而，当一个人靠近黑洞时，情况就不同了。“靠近”是什么意思呢？谈到黑洞，有几个半径值得注意。首先是奇点。广义相对论认为，黑洞的所有质量都被引力压缩到几乎为零。因此，说黑洞的半径为零或许比较合理。
另一个重要特征是一个叫做事件视界的球体。事件视界是由光的行为定义的。光和质量一样，也会受到引力的影响。就像将火箭从地球表面送入太空需要能量一样，光离开重物也需要能量。引力越强，光逃逸所需的能量就越大。
随着距离黑洞中心越来越近，引力也越来越强。存在一个半径，在这个半径内，以最快的速度——光速——运动的物体将无法逃脱黑洞。
事件视界的大小取决于黑洞的质量，但其他重要参数包括它是否旋转以及是否带电。然而，对于最简单的黑洞——既不带电也不旋转的黑洞——事件视界的半径被称为史瓦西半径，以德国物理学家和天文学家卡尔·史瓦西命名。对于距离黑洞中心小于史瓦西半径的物体，任何物体都无法逃脱，即使是光也无法逃脱。在史瓦西半径之外，物体可以逃脱，至少在理论上是如此。
对于质量与太阳相当的物体，史瓦西半径约为3公里。相比之下，太阳的半径约为70万公里。地球的史瓦西半径略小于一厘米。在距离黑洞约2.5倍史瓦西半径的地方，物体可以绕黑洞运行。在约2.5倍到1.5倍史瓦西半径的范围内，物体绕黑洞运行非常困难且不稳定，需要付出巨大的努力才能维持其轨道。在约1.5倍事件视界半径的地方，存在着“光子球”。在这个距离，黑洞会极大地弯曲空间，以至于光子实际上会绕黑洞运行。如果你距离黑洞这么远，你后脑勺的光线会绕过黑洞，直击你的脸。你甚至不需要镜子就能看到自己梳头的方式是否正确。
随着距离黑洞越来越近，情况变得更加奇怪。远离黑洞的人会看到物体靠近事件视界时移动的速度越来越慢，最终从视野中消失。然而，当一个人接近事件视界时，虽然周围天空的景象会因黑洞引力场而严重扭曲，但并没有太大的变化。（根据黑洞的大小和接近事件视界的物体的大小，引力可能会将物体拉开，也可能不会。许多因素决定了物体是否会被摧毁，我们无法一概而论。我忽略了这种影响。）
一旦一个人越过事件视界，就到了无法回头的地步。一旦到达那里，你就永远无法离开了。有趣的是：由于没有任何东西可以离开事件视界，我们无法获得关于内部发生情况的数据。我们对黑洞内部时空本质的理解完全是理论性的，这些想法可能正确，也可能不正确。然而，根据理论，事件视界内的时空会发生逆转。当你向黑洞中心移动时，你是在时间中移动，而不是在空间中移动。这是一个疯狂的想法，但它可能是真的。
当人们接近黑洞中心时，我们对测量的无知与对理论的无知交织在一起；理论失效了。人们常说黑洞中心是一个奇点：一个理论上黑洞质量被压缩到零的地方。但这并非奇点的真正含义。奇点是理论失效的地方。如果认真对待广义相对论，零尺寸选项是真实存在的。但这也意味着一个密度无限大的地方。而这一切的真正含义是，我们的理论不再有效。在实践科学家中，共识是奇点意味着广义相对论失效。因此，我们需要一种新的引力理论——科学家称之为量子引力。而一个令人不安的事实是：科学家们并不真正知道这个理论是什么样子。有一些想法，但没有一个得到证实。
因此，关于黑洞中心的真相是双重的。在事件视界内，我们只有理论和推测。假设爱因斯坦的理论在事件视界内、远离中心的位置成立，这很合理。但我们并不确定。科学家们确信爱因斯坦的理论在黑洞中心完全失效。所以，坦白地说，我们对黑洞中心究竟隐藏着什么几乎一无所知。因为我们永远无法看到黑洞内部，所以我们很可能永远无法知道黑洞内部发生了什么。黑洞内部很可能永远是个谜。。