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描述。實際上,恆星周圍時空的幾何將由於引力波的產生而變得相當複雜。
為什麼引力波(見第18章)會擾亂幾何呢?道理很簡單:所有運動物質(例如一顆轉動恆星)的引力場都隨時間變化。因此,由引力造成的時空彎曲在每個時刻都會變化,以反映新的物質構造。這種再調節像一種“皺紋”,以光速在背景幾何中傳播。
球對稱性最差的坍縮恆星發出最多的引力波。一旦視界形成,恆星坍縮成了黑洞,則情況立即簡化。在視界形成的瞬間,其形狀可能仍不規則,並表現出劇烈的振動,但在不到1秒鐘之內引力波會抹去所有的不規則性(圖34)。於是視界停止振動併成為單一的平滑的形狀,即一個兩極因離心力而變扁平的橢球面。
這就是為什麼一顆規縮成黑洞的轉動恆星的引力場會最終達到一個平衡狀態,這個狀態只依賴於兩個參量,即質量和角動量,後者表徵恆星的轉動,類似於基本粒子的自旋(見“簡併物質”一節)。
愛因斯坦方程有一個只依賴於這兩個參量的精確解。這個解由紐西蘭物理學家羅伊·克爾(RoyKerr)於1962年得到,描述的是轉動黑洞的引力場。這個理論發現有著重要的天文學意義,其價值不亞於一種新基本粒子的發現。科學總是這樣,理論與實驗相互促進發展。
要注意的是,史瓦西幾何描述的是一個球形物體的引力場,不論該物體是否處於靜止;而克爾幾何描述的只是一個最後的平衡態,它只適用於視界已經形成和所有的畸形都已被引力波掃除之後,而不能用於轉動恆星的實際坍縮過程。
極端黑洞
大多數恆星在作較差轉動。它們由具有不同密度、以不同速度旋轉的氣體層組成。在太陽系裡,氣體行星(如木星、上星)的大氣呈現多條與赤道平行的長帶,這就是較差轉動的效應。克爾黑洞的轉動卻是完全剛性的,視界上所有的點都以同樣角速度轉動。
另一方面,恆星不能以任意速度轉動。即使像一個巨大的轉動陀螺一樣的中子星,也不可能每秒轉動1000周以上,因為超過這個極限,星體就會被離心力瓦解。同樣也存在一個臨界角速度,超過了它,視界就會“破碎”,只留下裸露的中心奇點。這個極限所對應的視界具有等於光速的轉動速度,這種“極端”黑洞視界上的引力場為零。用牛頓的語言來說,就是在視界上,離心排斥力與引力正相抵消。
很有可能,大多數由大質量恆星引力坍縮而形成的黑洞所具有的角速度很接近這個極限。實際上,有許多轉動的恆星,雖然還遠不是黑洞,卻已經具有很高的角速度(太陽的角速度是極限值的20%)。如果在坍縮過程中角動量守恆(角動量守恆解釋了中子星的高轉動速度,見第7章),恆星級黑洞就應當很接近這個極限狀態。因此,被認為是雙星X射線源“發動機”的3Mpe洞(見第四篇),就必然每秒鐘轉動將近5000轉。
但是,黑洞並不是在固定的外部空間中轉動的陀螺。我們不可能在視界上放一隻燈泡井數它每秒鐘轉過的次數,克爾黑洞施曳著整個時空同它一起轉動(按照廣義相對論,所有大質量的轉動物體也都是如此,但是這種被稱為倫斯>銻林(Lense-Thir-ring)效應的幾何拖曳是極小的,除非該物體已經坍編成為黑洞)。理論上,只有在無限遠處時空才停止“轉動”,因而才可以認為視界具有一個角速度。靠近黑洞處的時空被不可抗拒地扭曲成旋渦狀,黑洞是一個宇宙大旋渦,這是它的第二條基本特徵,僅次於對光的捕獲。
宇宙大旋渦
但是已經沒有時間讓我考慮自己的命運了。圓圈在迅速縮小——我們被旋渦瘋狂地抓住了,大海在翻騰,暴風在呼嘯,我們的船在顫抖——一啊,上帝,它還在—…·下沉!
——德加·愛倫·坡《瓶子裡發現的手稿》
轉動黑洞與人們熟悉的渦流現象很有些相似,從浴缸裡的水流入底部的孔時形成的渦流,到海洋的水流形成的巨大渦流,例如埃德加·愛倫·坡在他的《奇遇記》中描繪的神話般的挪威海大旋渦,甚至由儒勒·凡爾納(Jules Verne)在他的《綠光》一書中提到的蘇格蘭赫布里底群島的巨大冰坑(也不要忘記,在《海底兩萬俚》一書的結尾,儒勒·凡爾納讓潛水艇“鸚鵡螺”號消失在一個海底深淵裡)。
旋渦裡水的螺旋運動可以分解為圓周運動和朝中心的下落兩個部分。圓周運動只有一個與到旋渦中心距離的平方根成反比的切向速度,下落運動則只有一個遠小於