边界究竟在哪里
视界是距中心的一段距离,在那里第二宇宙速度等于光速。比它更近的地方,没有任何东西能逃出去 - 不是因为信号被什么拦住了:那里的所有轨迹都通向内部。边界本身没有物质,它只是空无空间的纯粹几何。
视界半径由质量决定,并与质量成正比增长。把地球压缩成黑洞 - 边界会成为一个樱桃大小的球体。若把太阳压缩成黑洞 - 会是半径约3千米的球体。至于银河系中心的人马座A*,它约有400万倍太阳质量,视界则延伸到1200万千米外。
这条界线没有局部特征:坠落飞船上的仪器不会显示任何异常。而且,无法只根据附近的一小片区域算出视界的位置 - 它取决于黑洞的整个未来。如果一年后有一团气体落入其中,视界会提前开始扩张。
为什么坠落者感觉不到穿越
危险的不是边界本身,而是引力差:脚受到的吸引比头更强,身体会被拉长。在视界处,黑洞质量越大,这种差异越弱。靠近恒星质量黑洞时,人会在抵达视界前数百千米就被撕碎。面对超大质量黑洞,边界处的拉伸微弱到你不会察觉 - 撕裂会在更晚、更深的内部发生。
坠入超大质量黑洞时,穿越边界有多明显。
但一切还是变了。越过视界后,“向外”不再是空间中的方向,而成了时间中的方向:在那里,远离中心就像在这里回到昨天一样不可能。向后发出的信号,依然会向更深处去。
从外部能看到什么
从外部看,情况正好相反。物体越接近视界,它的时钟对遥远观察者而言走得越慢,它发出的光也越红。严格来说,影像永远不会跨过边界:它会在边缘处无限停住。
但这里的“无限”意味着“看不见”。亮度以指数形式下降,而且非常快:对恒星质量黑洞而言,画面会在几毫秒内熄灭;对超大质量黑洞,则是几分钟。没有人看到过由困在视界上的物质形成的发光外壳。
外部观察者看到的坠落物体亮度:每一步都变为原来的1/3。
黑洞照片中的橙色圆环也不是视界。中央暗斑的半径约是它的2,6倍:从旁经过的光会围绕黑洞旋转,阴影边缘由这种光学效应决定。这些都是广义相对论的预言;考虑量子效应后,视界上究竟发生什么,物理学家至今仍在争论。
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来源
- 视界尺寸 - 施瓦西解(1916)。阴影图像 - 事件视界望远镜:M87*(2019)、人马座A*(2022)。