低质量黑洞怎样最弯曲空间

弯曲的空间的最强测试只在围绕所有最低质量的黑洞是可能的。它们的小事件地平线是关键。

STARTS WITH A BANG — NOVEMBER 23, 2022

Ethan Siegel

一个点质量的严重弯曲的空时的描画，它对应位于一个黑洞的事件地平线外面的物理场景。随你在空时中越来越接近质量的位置空间变得更被严重弯曲，最终导致一个从其甚至光不能逃脱的位置：事件地平线。这个位置的半径被黑洞的质量、电荷和角动量、光的空间速度和广义相对论定律单独设定。(Credit: JohnsonMartin/Pixabay)

关键要点

如果我们把广义相对论放到可能的最严格的测试，我们不得不去已知宇宙中最强烈弯曲的空间区域。

黑洞创造已知宇宙中最强的空间曲率，范围从几个太阳质量到数百亿倍个太阳质量。

但也许令人惊讶的是，曲率最强的区域就在最低质量黑洞的地平线附近。这里是它们怎样最弯曲空间的。

关于宇宙本身最弯曲思维的概念之一是引力不是由某种看不到的、不可见的，而是出自因为宇宙中物质和能量弯曲和扭曲了空间本身的非常织造。物质和能量告诉空间怎样来弯曲；这个弯曲的空间摆出靠其物质和能量移动的路径。两点之间的距离不是一条直线，而是被空间本身的织造决定的一条曲线。

如此如果你想找到有最大量曲率的空间区域你会去哪里呢？你应该选择已经让最大的质量集中进最小体积的位置的地方：黑洞。但并不是所有的黑洞被平等的创造。矛盾的是是最小、质量最低的黑洞创造所有中最严重弯曲的空间。这里是背后为什么的一个令人惊讶的科学。

在一个日全食期间，恒星会出现在一个与它们的实际位置不同的位置，由于来自一个中间的质量太阳的光的弯曲。偏转的幅度将被在光线通过的空间位置上引力效应的强度决定。(Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy)

当我们远望宇宙时，特别是在大的宇宙尺度上，它像宛如空间几乎与平面不可区分一样行为。质量弯曲空间，弯曲的空间偏转光，但即使对我们知道的最被集中的质量偏转的量是微小的。

在1919年的日食中，来自遥远恒星的光被太阳偏转，造成了光的路径被弯曲不到千分之一度。这是广义相对论的第一次观测证实，被我们太阳系最大质量造成。

引力透镜更向前一步超过这个，在那里每一个大质量（如一个类星体或星系团）如此严重的弯曲空间以至于背景光被扭曲、放大并拉伸成多幅图像。然而甚至数万亿倍的太阳质量造成在微小的一度的分数尺度上的影响。

引力透镜的一个例子展示背景星系------或任何光路------怎样被一个中间质量的存在扭曲，但它也显示空间本身怎样被前景质量本身的存在弯曲和扭曲。当多个背景天体与同一个前景镜头对齐时，多个图像的多组能被一个合适对齐的观察者看到。(Credit: NASA, ESA & L. Calçada)

但既不是我们的接近一个质量的量也不是总质量的量决定空间被多严重的弯曲。相反，它是在一个给定空间体积内的质量总量。来可视化这个的最好方法是想想我们的太阳：一个半径约70万公里的太阳质量的1个天体。在太阳的非常边缘距离太阳中心70万公里光线被偏转约0.0005度。

你可以把太阳压缩成地球的大小（类似于一颗白矮星）：半径约6400公里。啃这个天体的四肢的光会被偏转大约100倍，至多 0.05度。

你可以将太阳压缩成一个半径约为35公里的值（类似于一颗中子星）。啃过它的四肢的光会被很大偏转：大约有十几度。

或者你可以压缩太阳如此多它变成一个黑洞：半径约为3公里。啃它的四肢的光会会被吞食，而刚好在它外面的光可能会偏转180°甚至更多。

一旦你越过门槛来形成一个黑洞，事件地平线内的一切都变成一个最多是一维的奇点。没有一种3D结构能原封不动生存。请注意，在一个固定的半径下，对该半径内部的质量分布不以任何方式改变外部曲率。(Credit: vchalup / Adobe Stock)

但在所有这些场景中有一些要考虑的重要东西。总质量的量------无论你有一个太阳一样的恒星、一颗白矮星、一颗中子星还是一个黑洞------在每个问题中都是同一的。空间被更严重弯曲的原因是因为质量更被集中，你能够远更近的走近它。

如果相反在每种场景中你呆在与质心同一的距离，距离一个太阳质量的天体70万公里不管它多紧凑你会看到完全相同的偏转：大约0.0005度。只是因为我们能非常接近所有中最紧凑的质量也就是黑洞，光随它啃过它的边缘弯曲如此一个严重的量。

这是所有黑洞的一个普遍属性。当光刚好勉强的啃过地平线的外部时，它刚好在被吞噬的边缘上，它将最大的围绕着黑洞的边缘。

这位艺术家的印象描绘在一个黑洞附近的光子路径。引力弯曲和被事件地平线捕获的光是被事件地平线望远镜捕捉到的阴影的原因。没有被捕获的光子创造一个特征的球体，这帮助我们确认广义相对论在这个新测试的体制中的实在性。(Credit: Nicolle R. Fuller/NSF)

但并不是所有的黑洞都被平等创造。当然，有一些度量让每个黑洞看起来是同一的，这些是重要的。每个黑洞都有一个事件地平线，这个事件地平线被你应该为逃离它的引力拉力需要来超过光速旅行的速度的位置定义。从地平线外，光仍然能使它到达外部宇宙的位置，在地平线内，光（或任何粒子）被黑洞吞噬。

但你的黑洞的质量越大，它的事件地平线的半径就越大。质量翻倍，事件地平线的半径翻倍。当然，很多东西都以同样的方式规模着：

在地平线上的逃逸速度仍然是光速，光的偏转量遵循相同的质量和半径关系，如果我们能都直接的成像它们------它们都展示我们从事件地平线望远镜的第一张图像中看到的甜甜圈一样的形状。

被事件地平线望远镜在一个大约6000万光年远的星系中揭示的事件地平线本身的特征、相对从它背后发射的射电辐射的背景轮廓。虚线代表光子球体的边缘和甚至对它的内部的事件地平线本身。(Credit: Event Horizon Telescope Collaboration et al.; Annotation: E. Siegel)

但对不同质量的黑洞有一些不可比较的几个属性。例如，潮汐力是一种差异是巨大的情况。如果你朝向一个黑洞的事件地平线降落，你会体验到一些试图在黑洞中心的方向中拉伸你来撕裂开你同时在垂直的方向压缩你的力：意大利面化。

如果你掉进了M87星系中心的黑洞（被事件地平线望远镜拍摄的黑洞），你头上的力和在你脚趾上的力之间的差异会是微小的，不到地球引力的0.1%。但如果你掉进一个有太阳质量的黑洞，这个力将会是大的像许多个10＾15倍一样：足以撕裂开你的单个原子。

当两个有限大小的物体彼此引力吸引时，物体的不同部分上的引力与平均值是不同的。这种效应造成随潮汐力我们体验的，它能在短距离上变得极端大。(Credit: Krishnavedala/Wikimedia Commons)

然而，也许不同质量的黑洞之间最惊人的区别来自一个我们已经从未实际上观察到过的现象：霍金辐射。无论你在哪里有一个黑洞，你有一个被从它发射的少量的低能量辐射。

虽然我们已经捏造了一些非常漂亮的造成它的可视化------我们典型的谈论粒子-反粒子对的自发产生一个掉进这个黑洞而另一个逃逸的地方------但这并不是真的正在进行的。的确辐射正在从黑洞中逃逸出来，而且，来自这些辐射产生的能量也必须来自黑洞本身的质量是真的。但这种粒子-反粒子对蹦入存在和一个成员逃逸的天真图片是十足的简化了的。

霍金辐射怎样发生的最常见、最不正确的解释是一个与粒子-反粒子对的类似。如果一个负能量的成员落入黑洞的事件地平线而另一个有正能量的成员逃逸，这个黑洞失去质量并向外走的辐射离开黑洞。这种解释已经误导了一代又一代的物理学家，而且是来自于霍金他自己。(Credit: Physics Feed)

真实的故事有点更复杂，但广泛的更启发的。无论你在那里有空间本身，你也有存在于我们宇宙中的物理法则，它包括支撑现实的所有量子场。当这些场渗透进空的空间时它们都以最低能量状态存在，一种被称为“量子真空” 的状态。

量子真空对每个人都是一样的，只要他们处在空的、不弯曲的空间中。但在空间曲率不同的地方那个最低能量状态是不同的，这就是霍金辐射实际来自的地方：来自弯曲空间中的量子场论物理学。离任何东西甚至是一个黑洞足够远，量子真空看起来就像它在平坦空间中一样。但量子真空在弯曲的空间中不同，在空间更严重弯曲的地方差异更急剧的。

显示在量子真空中虚粒子的量子场论计算的可视化。（特别是对于强交互作用。）甚至在空的空间中，这种真空能量是非零的，而弯曲空间的一个区域出现是 “基态” 的从一个空间曲率不同的观察者的角度看将是不同的。只要量子场存在，这种真空能量（或一个宇宙常数）也一定存在。(Credit: Derek Leinweber)

这意味着如果我们想要最亮、最发光、最高能的霍金辐射从我们的黑洞来，我们就要去我们能发现的最低质量的黑洞：在那里在它们事件地平线上的空间曲率是最强的。如果我们来比较一个像M87中心的黑洞一样的和一个如果太阳变成一个黑洞的我们会发现：

质量越大的黑洞有一个更低数十亿倍的温度，

有一个约比20个数量级更低的亮度，

并将在幅值更长30个数量级的时间尺度上蒸发。

这意味着它是宇宙中所有空间被最强弯曲出的地方最低质量的黑洞，而且以很多方式对测试爱因斯坦广义相对论的限制制造最敏感的自然实验室。

不是两颗中子星合并来产生一个伽马射线爆发和一个大量的重元素，而是紧随一个中子星产物然后坍塌成一个黑洞，一场直接成黑洞的合并可能已经在2019年4月25日发生。仅有的两个确凿证据的中子星-中子星合并最终都产生了黑洞：一个约2.7个太阳质量，另一个约3.5个太阳质量。它们是迄今为止已知宇宙中最低质量的黑洞。(Credit: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet)

似乎来认为宇宙中质量最低的黑洞比填充星系中心的超大质量庞然大物更严重的违反直觉，但这是真的。弯曲的空间不仅仅是关于你在一个地方刚好有多少质量，因为你能观察到的被一个事件地平线的存在限制。更小的事件地平线被发现围绕质量最低的黑洞。对像潮汐力或黑洞衰变这样的度量，靠近中心奇点甚至比你的整体质量更重要。

这意味着对测试广义相对论的许多方面以及来寻找量子引力的第一个微妙效应最好的实验室将是围绕所有黑洞中最小的黑洞。我们知道的质量最低的黑洞来自合并来形成黑洞的中子星，只有太阳质量的2.5-3倍。最小的黑洞是空间被弯曲最大的地方，它可能把持我们的理解宇宙中的下一个重大突破的关键。

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/black-holes-bend-space/