对于我们这些不相识天文学和物理学的人来说，黑洞是什么？ ...

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我们来看一下业余天文学家、研究职员及作家Martin Silverant在天文在线上的答复：“
            我会分四个部门答复这个题目：
            第一，黑洞是什么？第二，黑洞是怎样形成的？第三，为什么黑洞会有云云猛烈的引力场？第四，黑洞的剖解布局是什么？
            起首，黑洞是什么？
            黑洞是空间中的一个位置，它的引力场非常强，以至于其逃逸速率凌驾了光速。这意味着你必要大于光速的速率(在物理上这是不大概的)才气逃离黑洞。
            由于没有光可以逃走黑洞，以是它是玄色的。固然，这不是你衬衫的那种玄色，由于衬衫它的玄色是可以或许反射光线的。而黑洞，它根本不反射光线，以是它是最黑的。
            
            【下面的图片是对黑洞的一个很好的类比，在黑洞中，凌驾某一点的水流是云云猛烈，以至于再大的速率也不敷以逃离它。
            这确实是一个相称完善的类比，由于固然我们不能直接研究黑洞，而且我们也不能观察得到它们或观察它们的内部（我们只能从它们影响四周恒星的引力场中推断出它们的存在，我们可以看到来自流进物质的辐射），但我们可以研究黑洞的类比，此中一个研究霍金辐射(黑洞被以为是一个迟钝蒸发的过程)的类比使用了水流。】
            
            相识了黑洞是什么，我们来聊聊黑洞是怎样形成的。
            这统统都始于一颗大质量恒星。当恒星将氢聚酿成更重的元素时(这一过程被称为热核聚变)，产生的热量会产生一个向外的压力，这会抵消来自重力的内力。本质上，热压可以防止恒星在自身引力下坍塌，只要恒星有燃料熔化并产生热量，热压和重力就是均衡的(称为流体静力均衡)。
            在某一时候，恒星耗尽了燃料，这意味着热压低落，而重力就会占据主导职位。这就是焦点塌陷发生的时间。焦点塌陷发生之后，有三种环境：末了质量低于钱德拉塞卡极限的太阳质量1.4倍的恒星将坍缩成白矮星，末了质量介于钱德拉塞卡极限和托尔曼—奥本海默—沃尔科夫极限(即TOV极限)之间的恒星将成为中子星，末了质量高于TOV极限的恒星将成为黑洞。这个末了质量与至少25倍于太阳质量的初始质量相干。
            
            【我们不妨假设上图中的恒星有30个太阳质量。当焦点坍塌时，会发生一种称为超新星的爆炸，它会将大量物质喷射到太空中。这则是一张真实的超新星图像。
            在下面的图像中，你可以看到恒星的初始质量与其竣事质量之间的关系。对于一颗初始质量是太阳30倍的恒星来说，它的终极质量约莫是4个太阳质量—足以形成一个黑洞。
            我在图片上标出了两行，作为怎样阅读这幅图片的例子。一颗初始质量为25M(太阳质量)的恒星，其末了质量约为2M(要记着TOV限定为2-3M)。我还用蓝色标志了一颗30M的恒星，正如你所看到的，它的末了质量是4M。别的，你也可以看到，任何初始质量低于25M的恒星都将成为质量为0.88M-1.44M的中子星。】
            
            接着，我们不妨研究一下，为什么黑洞会有云云猛烈的引力场。
            起首，我们要相识一个关键的部门：引力场的强度取决于两个因素，一，物体的质量；二，你离物体的间隔有多远。
            【我们来看上面的恒星，它的半径比中子星和黑洞大得多。然而，这一比例还远远不敷，由于中子星和黑洞远远小于这个比例。固然太阳的直径为139.14万公里(和1个太阳质量)，但中子星的直径通常约为20公里(约莫1.4个太阳质量)，一个质量为3个太阳质量的黑洞被以为被压缩到一个点，只管在这个质量下它的史瓦西半径(或引力半径)约为8.86公里(直径17.73公里)。稍后，我会更多地谈到史瓦西半径。
            
            这里有三个质量增长，但半径减小的物体。如今，固然由于质量的差别，这三个物体都有差别强度的引力场，但它们的半径也是至关紧张的。假如我们假设这三个物体的质量雷同，但巨细差别，那么为了使得来自恒星的引力场与来自中子星的引力场雷同，你必须在恒星内部。但是，要体验与平凡恒星雷同的中子星引力场，你必要阔别它直到一段间隔之外(由中子星四周的黄色圆圈表现)。以是你看，在质量雷同但半径较小的环境下，你可以更靠近中子星，就像你可以靠近平凡恒星一样，以是你会在中子星的外貌体验到更强的引力场，就像平凡恒星上的引力场一样。黑洞有更大的质量和更小的半径(假设是点源)，以是当你靠近它时，它的引力场真的很极度。极度到纵然是在宇宙中速率最快的光也不能逃逸，就像我们一开始看到的那样。】
            
            末了，我们再来看看，往剖解一个黑洞，它的布局会是什么。
            【如今我们先来看看风趣的部门。黑洞的身分是什么？在下面你可以看到黑洞相干部门的简化版本。起首，我们谈判到黑洞是怎样压缩到一点的。至少，这是假设的，只管在实际中我们简直不知道黑洞是否真的是一个点源。不管这个点源是物理的照旧数学的，它被称为引力奇点。这个奇点有一个逃逸速率凌驾光速的地区，这个地区由史瓦西半径界说。这个乃至连光也逃不出黑洞的界限叫做视界，这是时空中的界限。
            在质量曲线时空，黑洞之中的环境下，质量密度曲线时空，以至于光被捕捉。下面的图像给出了一些概念，只管云云，请记着，这是空间扭曲的二维表现，而现实上空间是三维扭曲的。因此，更好的假想是时空向内弯曲，形成一个重力井(如下图中的b所示)。
            
            预备勤学习更多技能性的东西了吗？让我们来看看更完备的黑洞剖解图。下图是史瓦西黑洞，这是一个最广泛的黑洞模子。这是一个不带电荷的非旋转黑洞。人们以为不存在不旋转的黑洞，但史瓦西度规提供了一个简朴的黑洞模子。再往下我们再往看一个旋转的黑洞。
            如你所见，与根本的黑洞剖解学相比，这里另有两到三个额外的构成部门。黑洞有一个外视界和一个内视界，或称柯西视界。柯西地平线的一侧包罗封闭的类空间测地线，另一侧包罗封闭的类时间测地线。测地线是曲线空间中两点之间的最短路径。当物质落进黑洞时，它会走尽大概短的路径，在柯西地平线之外，时空测地线会颠倒过来。因此，在内部变乱视界之外，你不再是在空间中观光，而是在时间中观光。因此，假如你跨过这条地平线，你将走向你不可制止的将来，而那，就是奇点。
            
            在史瓦西半径之外，有一个被称为光子球的界限，在那边，重力充足强，以至于光子(光粒子)被迫在轨道上活动。超出该界限，你会向变乱视界移动，但在光子球体处，光子将在轨道上移动至少一小段时间(轨道不稳固)。光子绕圈运行的风趣之处在于，当你位于光子球体时，从你后脑勺开始的光子会围绕黑洞运行，然后会被你的眼睛捕获到，以是你会极有服从地看到你的后脑勺。这很奥妙，不是吗？
            末了，让我们来看看旋转黑洞，它要么是克尔黑洞(不带电荷的旋转黑洞)，要么是克尔—纽曼黑洞(带电荷的旋转黑洞)。而黑洞只有三个根本属性：质量、电荷和角动量(自旋)。
            
            恒星不绝旋转，当一颗大质量的恒星坍缩成黑洞时，它的角动量不但在黑洞中守恒，而且随着半径的大幅减小，它的角动量也会增长。试想一个溜冰活动员，当她收紧双臂时，她的旋转速率会增长，由于这会低落她的转动惯量。
            由于离心力的作用，黑洞的旋转使得史瓦西半径变得扁平。别的，引力奇点不再是点源，而是二维环奇点。旋转黑洞的另一个紧张的附加身分是势层，这是一个超出外部变乱视界的地区。电气球在旋转黑洞的南北极打仗到变乱视界，并在赤道延伸到更大的半径，根据黑洞的旋转速率，电气球的外形要么是扁球体，要么是南瓜形。
            
            当黑洞旋转时，它在旋转方向上扭曲时空的速率随着间隔视界的间隔而减小，这意味着离视界较近的时空将比间隔视界较远的空间扭曲得更严峻。此过程称为框架拖动。由于这种拖拽效应，除非对象相对于局部时空以比光速更快的速率移动，否则相对于远间隔的外部观察者而言，势层内的对象不会显得静止不动，而这是不大概的。然而，由于势层位于变乱视界之外，该地区内的物体仍旧可以通过黑洞的旋转而得到速率而逃离黑洞。】
            作者: Quora
            FY: 罗导
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