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奇點(diǎn) 當(dāng)物質(zhì)掉到黑洞里發(fā)生了什么？

當(dāng)物質(zhì)還在黑洞外面時(shí)，取決于物質(zhì)的形態(tài)。如果物質(zhì)繞著黑洞的吸積盤軌道運(yùn)行的氣體，原子之間會(huì)以越來(lái)越快的速度碰撞，摩擦產(chǎn)生熱量，物質(zhì)會(huì)被加熱到非常高的溫度。氣體越靠近黑洞及其事件視界，越多的引力能被轉(zhuǎn)換成動(dòng)能與熱能，最終原子間的碰撞過(guò)于劇烈以至于電子被剝離，形成等離子體。

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在這個(gè)過(guò)程中，氣體發(fā)射出的光能量越來(lái)越高，從可見光，到紫外線，再到x射線。最后，在它穿過(guò)事件視界之前，炙熱的氣體發(fā)射出伽馬射線。上圖是物理學(xué)家Kovak Zoltan 計(jì)算的典型的吸積盤模型，根據(jù)該模型，一個(gè)200萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞， 會(huì)以每百萬(wàn)年2.5個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的速率吸積質(zhì)量。即使是在巨大的黑洞周圍，溫度也非常高。這個(gè)黑洞的事件視界距離為600萬(wàn)公里。下圖中橫軸上的第一個(gè)標(biāo)記是 “5”，意思是視界半徑的5倍，或者說(shuō)距離黑洞中心3000萬(wàn)公里的位置，大約是太陽(yáng)到水星的距離!

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另外一種情況是當(dāng)物質(zhì)在被黑洞的引力捕獲的恒星的內(nèi)部，恒星的軌道會(huì)在十幾億年間會(huì)由于引力輻射的發(fā)射而縮小。最終當(dāng)恒星非常靠近黑洞時(shí)，它的命運(yùn)將取決于俘獲它的黑洞的質(zhì)量。如果它是個(gè)恒星質(zhì)量級(jí)別的黑洞（約20倍太陽(yáng)質(zhì)量），黑洞的潮汐引力將會(huì)使這個(gè)恒星從一個(gè)圓球體變成足球狀（橄欖球狀），最終恒星近黑洞與遠(yuǎn)黑洞兩端的引力差異過(guò)于巨大，導(dǎo)致恒星不能將自身保持為一個(gè)整體，它將被黑洞的引力撕碎，大部分質(zhì)量進(jìn)入黑洞周圍的吸積盤。

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如果這個(gè)黑洞的質(zhì)量超過(guò)十億個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，那么黑洞的較弱的潮汐引力使恒星可以完整地穿過(guò)視界。可以說(shuō)恒星基本上被完整地吞噬了，在恒星進(jìn)入黑洞前不會(huì)產(chǎn)生任何引人注目的輻射光線。下圖是這個(gè)過(guò)程的藝術(shù)視角。

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在黑洞視界內(nèi)部，被俘獲的物質(zhì)的命運(yùn)就只能靠猜測(cè)想象了。廣義相對(duì)論告訴我們有兩種類型的黑洞，一種是不旋轉(zhuǎn)的，另一種是旋轉(zhuǎn)的。兩種類型在事件視界內(nèi)部有不同的結(jié)構(gòu)。對(duì)于不旋轉(zhuǎn)的施瓦西黑洞（Schwarzschild black hole），物質(zhì)必將與奇點(diǎn)的碰撞。假設(shè)有一個(gè)時(shí)鐘和進(jìn)入黑洞的物質(zhì)一起進(jìn)行及時(shí)，在一個(gè)恒星級(jí)的黑洞中，物質(zhì)只要幾微秒就從視界到達(dá)奇點(diǎn)了，在一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞這個(gè)過(guò)程則需要幾小時(shí)。

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我們無(wú)法預(yù)測(cè)在奇點(diǎn)發(fā)生了什么，因?yàn)槔碚撋夏抢锏闹亓κ菬o(wú)限大的。對(duì)于旋轉(zhuǎn)的克爾黑洞，內(nèi)部結(jié)構(gòu)就更復(fù)雜了，某些物質(zhì)靠近黑洞的軌跡，原則上可以使其避免與奇點(diǎn)碰撞，并且有可能在幾千年或幾十億年后在黑洞中再次出現(xiàn)。一些奇怪的理論認(rèn)為進(jìn)入黑洞的物質(zhì)會(huì)完整地再出現(xiàn)在另一個(gè)宇宙，但是物理學(xué)家認(rèn)為那些解釋不準(zhǔn)確。

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問(wèn)題是，真實(shí)物理事件產(chǎn)生的黑洞內(nèi)部充斥著重力輻射，使得時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)非常不穩(wěn)定，導(dǎo)致這種狀況很難實(shí)現(xiàn)。即使最簡(jiǎn)單的不旋轉(zhuǎn)的施瓦西黑洞，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是難以想象的。數(shù)學(xué)家說(shuō)在事件視界外面，一個(gè)粒子通常會(huì)經(jīng)歷空間和時(shí)間。這個(gè)粒子(還有你)能自由地沿著R-徑向坐標(biāo)軸在空間中旅行，但是無(wú)法在時(shí)間T坐標(biāo)軸上自由移動(dòng)。你可以通過(guò)高速旅行的時(shí)間膨脹效應(yīng)加快或減慢你所經(jīng)歷的時(shí)間流逝速度，但是不能夠倒退回去。在事件視界有一些奇妙的事發(fā)生，我們用來(lái)表示時(shí)間和空間的數(shù)學(xué)變量R和T,在定義時(shí)空距離方程中混在了一起這意味著空間坐標(biāo)R變得像時(shí)間坐標(biāo)一樣，我們無(wú)法在空間坐標(biāo)中自由行動(dòng)，無(wú)法避免地在奇點(diǎn)（R=0）處被壓扁。

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同時(shí)這也意味著，你能夠稍微沿著T軸自由移動(dòng)就像在事件視界外面的空間坐標(biāo)中一樣。對(duì)于由超新星演變成的施瓦西黑洞，你會(huì)遇到另一個(gè)問(wèn)題。數(shù)學(xué)中的事件視界要在物質(zhì)爆縮后的很長(zhǎng)一段時(shí)間后才出現(xiàn)。事實(shí)上，這就是數(shù)學(xué)家所說(shuō)的時(shí)空坍縮的漸近特性。這意味著如果你掉到一個(gè)超新星形成的黑洞里，（對(duì)于遠(yuǎn)處的人來(lái)說(shuō)？），星球仍然處于坍縮的過(guò)程中，其表面可能還沒(méi)有進(jìn)入黑洞的視界。在你跌落的過(guò)程中，大部分的星球還處于視界之外，黑洞尚未完全形成。

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