黑洞是大質量不可見天體,被人類觀測到,是因為周圍圍繞著炙熱的吸積盤物質以及背后扭曲的星光作為背景。
除此以外,用引力波干涉儀可以探測到雙黑洞合并的過程。2016年2月11號,美國激光引力波干涉天文臺首次探測到一起黑洞合并事件,29個太陽質量的黑洞和36個太陽質量的黑洞合并,產生了61個太陽質量的大黑洞,虧損的4個太陽的質量以引力波的形式輻射到整個宇宙空間,經過了13億光年的旅程,最后到達了地球。
》那么問題來了,兩個黑洞合并,到底是A黑洞掉到B黑洞里,還是B黑洞掉到A黑洞里?
有人說了,難道A黑洞掉到B黑洞里和B黑洞掉到A黑洞里有什么不同嗎?那讓我們來先看一個黑洞吞噬一顆普通恒星的過程。
我們知道在大質量天體演化的最后階段,經歷的超新星爆炸以后,剩下的星核會形成一個中子星。如果中子星的質量大于3個太陽,中子簡并壓無法抵抗引力,就會潰縮成一個黑洞。
太陽只是一顆黃矮星,在宇宙中比太陽質量大的恒星很多,但是都沒有直接潰縮成黑洞。這是因為在恒星內部劇烈的核反應會釋放出強大的伽馬射線和x射線。正是因為這些射線的輻射壓抵抗住了引力引起的向心收縮力。
恒星的質量越大,內部的核反應就越激烈,理論上大于150個太陽質量的恒星,其內部的核反應產生的輻射壓力會把恒星的質量吹跑。所以恒星也會有質量上限。
1個100個太陽質量的恒星靠近一個3個太陽質量的黑洞,合并的過程中是恒星的質量減少,黑洞的質量增加。這是一個恒星向黑洞轉移質量的過程。
從邏輯角度,A黑洞向b黑洞轉移質量,或是b黑洞向a黑洞轉移質量,是相互抵觸的。
》根據現有的黑洞理論,黑洞是一個只進不出的饕餮怪獸。除了霍金輻射以外,黑洞沒有任何質量回吐的機制。
美國引力波天文臺觀測到的多起黑洞合并事件,都伴隨著合并后黑洞的質量虧損。
根據能量守恒,引力波的輻射能量必然來自于其他能量或者是物質的轉換。在黑洞沒有任何質量回吐機制的情況下,這些能量只能來自于吸積盤的物質以及黑洞的相對引力勢能。
所以引力波天文臺觀測到的多起黑洞合并事件,所謂的黑洞質量虧損有疑問。
我們知道黑洞有一個非常奇怪的性質,為了簡便討論,我們用施瓦西黑洞代替所有的黑洞。那就是黑洞的視界半徑是和質量成正比的,而引力又和半徑的平方成反比。
》然后就是非常經典的結論:黑洞質量越大,密度越小,同時視界附近的重力加速度也越小。
我們知道黑洞是沒有質量上限的,15,000億個太陽質量的黑洞,施瓦西半徑是0.5光年。此時黑洞視界的重力加速度剛好和地球表面重力加速度相當。
1971年,霍金證明了黑洞的面積定理,在強能量條件和宇宙監督假設存在的情況下,黑洞的面積是永遠增加的。
由于黑洞的視界面積和黑洞的質量是相關的。
當大小黑洞相互接觸的時候,如果不允許質量重新分配,就是小黑洞直接穿越視界,掉進大黑洞。
雖然黑洞內部不可觀測,但是必須符合能量守恒。當兩個黑洞的奇點合并的時候,必然伴隨著引力勢能轉化成能量,而這些能量又被封閉在黑洞的內,理應轉化成黑洞的質量。
引力勢能是極其巨大的,超新星爆發的能量就是由于引力勢能引起的。
所以,兩個黑洞如果是以物理奇點的形式合并,可能會得到一個遠遠大于兩個黑洞質量和的黑洞。
但是如此的結論和引力波天文臺測量的黑洞合并以后質量虧損的現象相違背。所以必須給多余的能量找一個發泄的地方。
科學家Bekenstein提出,黑洞的熵會向高維度轉移。
那就意味著,黑洞內的能量、質量也可以向高維度轉移。
》這說明黑洞里有通往高維異世界的大門,當2個黑洞合并的時候,這扇門就會打開。這可以解釋黑洞合并后質量虧損的問題。
同時,這也說明黑洞內部具有非常復雜的時空結構。如果我們人類進入黑洞的內部,可能會有驚喜的發現,但是只有直徑大于1光年的黑洞才是安全的。
如果把宇宙看成一個黑洞內部,和現有觀測到的現象不矛盾。也可能整個世界是一個大黑洞套小黑洞的無窮的嵌套結構。
霍金的師兄和搭檔彭羅斯認為,宇宙在輪回,本次宇宙的終點是下一次宇宙的起點。量子力學大師玻爾認為人類永遠只能看到物理的現象,而不能深究物理的本質,人類的物理沒有上帝視角。
所以,黑洞內部到底是個什么情況?我們的宇宙到底是個什么形狀?可能完全取決于人類的觀測。