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历史上科学家是如何预测黑洞的？

黑洞是广义相对论预言的密度特别大的黑暗物体。大质量恒星在其演化末期坍缩，其物质密度特别高。它有一个封闭的边界叫做“视界”，黑洞中隐藏着一个巨大的引力场。因为引力场这么强，任何物质包括光子都只能进不能出。形成黑洞的星核的质量下限大约是太阳的三倍。当然，这是原子核的最终质量，而不是主序期恒星的质量。除了这个恒星黑洞，还有其他的黑洞来源——所谓的微型黑洞可能形成于早期宇宙，所谓的超大质量黑洞可能存在于星系中心。(参考:宇宙新视界)

黑洞不会让其边界内的任何东西被外界看到，这也是这类物体被称为“黑洞”的原因。我们无法通过光的反射来观察它，只能通过周围受其影响的物体来间接了解黑洞。说了这么多，黑洞还是有它的边界的，那就是“视界”。据推测，黑洞是死星的残余，它是在一颗特殊的大质量超巨星坍缩时产生的。另外，黑洞一定是质量大于钱德拉塞卡极限的恒星演化形成的，质量小于钱德拉塞卡极限的恒星不能形成黑洞。

正如我们已经说过的，没有任何东西能进入黑洞并从中逃脱。但是科学家认为黑洞会慢慢释放能量。英国著名物理学家霍金在1974年证明，黑洞具有非零温度，温度高于周围环境。根据物理学原理，所有温度高于周围环境的物体都会释放热量，黑洞也不例外。一个黑洞会释放出数百万万亿年的能量，黑洞释放的能量被称为“霍金辐射”。当黑洞消散了所有的能量，它就会消失。

事件视界，即空与时间中不可避免区域的边界，就像黑洞周围的单向膜:物体，比如毫无防备的宇航员，可以通过事件视界落入黑洞，但没有任何东西可以通过事件视界逃离黑洞。(记住事件视界是光试图逃离黑洞时的空轨道。没有什么能比光移动得更快。人们可以把诗人但丁关于地狱入口的话恰当地运用到事件视界上:“从这里进入的人，必须抛弃一切希望。”任何东西或任何人一旦进入活动视界，就会迅速到达无限致密区和时间的尽头。

广义相对论预言，移动的重物会导致引力波的辐射，引力波是以光速行进的空之间具有时间曲率的波纹。引力波类似于电磁场中的波纹，但它们更难以检测。就像光一样，会带走发光物体的能量。因为任何运动中的能量都会被引力波的辐射带走，所以可以预期，一个大质量物体的系统最终会趋于一个恒定的状态。这非常类似于将软木塞扔进水中。起初，它上下颠倒了很长时间，但当涟漪带走它的能量后，它终于平静下来。比如地球绕太阳旋转会产生引力波。其能量损失的效应会改变地球的轨道，使其离太阳越来越近，最终撞击太阳，并以这种方式回到最终状态。以地球和太阳为例，能量损失率很小——只需要一个小小的电热器就能点燃，也就是说地球和太阳相撞大约需要1000亿年，不用马上着急！改变地球轨道的过程太慢，根本观测不到。但几年前，在一个名为PSR 1913+16的系统中观察到了这种效应(PSR代表“脉冲星”，一种发出无线电波规则脉冲的特殊中子星)。这个系统由两颗互相围绕运动的中子星组成。由于引力波辐射，它们的能量损失使得它们以螺旋轨道相互靠近。

当恒星坍缩形成黑洞时，它的运动速度要快得多，因此能量以高得多的速度被带走。所以用不了多久就能达到同样的状态。这个最终状态会是什么样的？人们会认为，这将取决于形成黑洞的恒星的所有复杂特征——不仅是其质量和旋转速度，还包括恒星不同部分的不同密度以及气体在恒星中的复杂运动。如果黑洞像它们原来的物体一样多变，那么对它们做出任何预测都将非常困难。

然而，1967年，加拿大科学家奈·伊斯雷尔(生于柏林，长于南非，在爱尔兰获得博士学位)彻底改变了他对黑洞的研究。他指出，根据广义相对论，不旋转的黑洞一定是一个非常简单完美的球体；它的大小只取决于它们的质量，任何两个质量相同的这样的黑洞一定是相等的。其实它们可以用爱因斯坦的特解来描述，这个特解是卡尔发现的？Schwartz Schild发现它起初，许多人(包括israel本人)认为，既然黑洞必须是完美的球形，那么黑洞只能由完美球形物体的坍缩形成。因此，任何真正的恒星——永远不是完美的球体——只会坍缩成一个光秃秃的奇点。

然而，一些人，特别是罗杰·彭罗斯和约翰·惠勒，主张对以色列的结果进行不同的解释。他们认为，涉及恒星坍缩的快速运动表明，它释放的引力波使它越来越接近一个球体，当它最终静止时，它就变成了一个精确的球体。根据这种观点，任何不旋转的恒星，无论其形状和内部结构多么复杂，在引力坍缩后，最终都会成为一个完美的球形黑洞，其大小只取决于其质量。这个观点得到了计算的进一步支持，很快被大家接受。

以色列的结果只处理了非旋转物体形成的黑洞。1963年，新西兰人罗伊·克尔发现了描述旋转黑洞的广义相对论方程的一族解。这些克尔黑洞以恒定的速度旋转，它们的大小和形状只取决于它们的质量和旋转速度。如果旋转为零，黑洞就是一个完美的球体，这个解和Schwartz Schild的解一样。如果有自转，黑洞在赤道附近向外凸出(就像地球或太阳因自转而向外凸出一样)。旋转越快，越向外突出。据推测，如果将israel的结果推广到包括旋转体，那么任何旋转体在坍缩形成黑洞后，最终都会处于Kerr解所描述的静止状态。

黑洞是科学史上最罕见的案例之一。它已经发展成为一个非常详细的数学模型，没有任何观察证据来证明其正确性。事实上，这通常是反对黑洞的主要论点:你怎么能相信一个物体仅仅基于有问题的广义相对论的计算？然而，在1963年，加州帕洛玛天文台的天文学家马丁·施密特(maarten schmidt)测量到一颗昏暗的类星体向一个名为3C273(剑桥射电源目录第三类中的第273号)的射电源方向红移。他发现引力场不可能造成这么大的红移——如果是引力红移，那么这样的恒星一定有这么大的质量，而且离我们这么近，才能干扰太阳系中行星的轨道。这暗示着这个红移是宇宙膨胀造成的，进一步说明这个天体离我们非常遥远。既然能在这么远的距离观测到，那它一定很亮，也就是说它一定辐射出很多能量。人们会认为，产生如此巨大能量的唯一机制似乎不仅仅是一颗恒星，而是一个星系整个中心区域的引力坍缩。还发现了许多其他类星体，它们都有很大的红移。但是它们都离我们太远了，观测它们太困难了，无法为黑洞提供确凿的证据。

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