1915年，在愛因斯坦提出完整廣義相對論的兩個月后，一位名叫卡爾·史瓦西的年輕德國物理學(xué)家求出了它的第一個解。史瓦西解描述了圍繞球?qū)ΨQ質(zhì)量的時空彎曲，如果該質(zhì)量被充分壓縮，該解將預(yù)測一個球面的事件視界，在其內(nèi)部時空以光速向內(nèi)流動。總而言之，它預(yù)測了空間中不可避免的結(jié)構(gòu)，我們現(xiàn)在稱之為黑洞。

從那以后，我們對宇宙的觀測告訴我們，黑洞是真實(shí)存在的。我們已經(jīng)看到了它們合并產(chǎn)生的引力波，我們目睹了遙遠(yuǎn)類星體發(fā)出的光，我們甚至用事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝了黑洞的圖像。但史瓦西解并沒有很好地描述這些真實(shí)的黑洞，因?yàn)槭吠呶骱诙礇]有自轉(zhuǎn)，而真實(shí)的天體物理黑洞都在旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)黑洞無毛定理，可以用三個參數(shù)來描述黑洞：質(zhì)量、電荷和自旋。每個黑洞都必須具有質(zhì)量，將大質(zhì)量壓縮到小區(qū)域是它成為黑洞的首要原因。我們所知道的黑洞并沒有電荷，但基本上所有真正的黑洞都會旋轉(zhuǎn)。黑洞的旋轉(zhuǎn)來自于形成它的所有物質(zhì)的角動量，這包括坍縮的核心的角動量和被吸入黑洞物體的角動量。

盡管自旋在黑洞中很重要，但在愛因斯坦場方程之后的半個世紀(jì)才得出了旋轉(zhuǎn)解。1963，羅伊·克爾提出了克爾解，它描述了一個有質(zhì)量有旋轉(zhuǎn)但沒有電荷的黑洞，它可以用來描述任何靠近或在克爾黑洞內(nèi)部移動物體的軌跡。今天，我們主要來講講旋轉(zhuǎn)黑洞對外部時空的影響。

參考系拖拽

旋轉(zhuǎn)黑洞周圍的空間流動被稱為參考系拖拽，我們可以在任何旋轉(zhuǎn)質(zhì)量周圍看到它。在參考系拖拽中，任何“自由落體”軌跡都被拖動到物體旋轉(zhuǎn)的方向上。美國宇航局的引力探測器B測量了地球的參考系拖拽，這與愛因斯坦理論預(yù)測完全一致。地球的參考系拖拽非常微弱，但在克爾黑洞的情況下，時空的這種圓形拖動效果非常顯著。

從經(jīng)典力學(xué)的角度來看，恒星擁有任何半徑的穩(wěn)定圓軌道。但是對于不旋轉(zhuǎn)的黑洞來說，最內(nèi)層的穩(wěn)定圓軌道的半徑是3倍史瓦西半徑，任何更接近的物體都會最終掉落到黑洞中。但是對于一個旋轉(zhuǎn)的黑洞，參考系拖拽會給一點(diǎn)額外的幫助，所以最內(nèi)層穩(wěn)定圓軌道可以更靠近黑洞視界。從理論上來說，一個旋轉(zhuǎn)足夠快的黑洞，它的最內(nèi)層穩(wěn)定圓軌道可以一直存在到事件視界。但是，這些過程的前提是物體與黑洞旋轉(zhuǎn)方向相同，如果相反的話，那么9個史瓦西半徑內(nèi)都沒有穩(wěn)定圓軌道。

黑洞周圍通常會形成一個吸積盤，吸積盤的內(nèi)層邊緣就是該黑洞的最內(nèi)層穩(wěn)定圓軌道。我們目前還不能直接測量吸積盤內(nèi)邊緣的直徑，但我們能通過引力透鏡等間接方法進(jìn)行推算，從而得到黑洞的自旋。

能層

就在視界上方，我們發(fā)現(xiàn)了一個特別奇怪的區(qū)域，叫作能層。在那里，參考系拖拽以比光速更快的速度攜帶著黑洞周圍的空間，這意味著一切都必須朝著黑洞旋轉(zhuǎn)的方向移動。這里的情況實(shí)際上類似于視界以下的狀態(tài)，即空間以比光速更快的速度向下移動。在數(shù)學(xué)上，超光速的空間流動以一種特別奇怪的方式表示——空間和時間交換位置。因此，在能層中，角坐標(biāo)變得像時間一樣，**繞黑洞運(yùn)行和在時間上倒退一樣困難。

同樣的事情還允許我們從能層中提取能量，物理學(xué)家羅杰·彭羅斯在1970年代早期發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。它是這樣工作的：一個物體在經(jīng)過精心調(diào)整的軌跡上落入克爾黑洞的能層中，如果該物體在正確位置被分成兩半，一半穿過視界而另一半彈出能層并逃逸，它逃逸的動能將比進(jìn)來時多。這種能量是從能層中的旋轉(zhuǎn)能量提取的，因此會減慢黑洞的旋轉(zhuǎn)。之所以它會有效，是因?yàn)槟軐拥目藸柦庵衅婀值臅r空翻轉(zhuǎn)允許物體的一半獲得負(fù)能量，該負(fù)能量被轉(zhuǎn)移到黑洞，而另一半則獲得正能量作為動能。

布蘭德福–日納杰過程

我們最后一個要談?wù)摰倪^程在現(xiàn)實(shí)宇宙中很重要，它就是布蘭德福–日納杰過程。在這種情況下，黑洞周圍的物質(zhì)流在吸積盤中會產(chǎn)生磁場，能層中的空間流動將磁場旋轉(zhuǎn)成一個巨大的粒子加速器。帶電粒子沿著這些磁場加速并可以輻射出強(qiáng)光，最終該光的能量是從黑洞的旋轉(zhuǎn)能量中提取的。據(jù)推測，從吸積的黑洞中觀察到的一些噴流可能是由這個過程驅(qū)動的。