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黑洞是宇宙中一些最极端的天体：在一个很小的空间中只有一个地方有如此多的能量，以至于形成了一个视界事件。当它们形成时，原子、原子核，甚至基本粒子本身，在我们的三维空间中被粉碎成任意小体积的奇点。同时，所有从视界坠落的东西都只会增加黑洞的引力。这对暗物质意味着什么？ 一个活跃的黑洞的例子，它在两个垂直的喷流中吸积物质并使其一部分向外加速。 暗物质如何与黑洞相互作用？它会像正常物质一样被吸进奇点，导致黑洞的质量增加吗？如果是这样，当黑洞通过霍金辐射蒸发时，会发生什么？ 要回答这些问题，我们必须从这开始：黑洞到底是什么。  第一次从美国宇航局肯尼迪角航天中心发射的是阿波罗4号火箭 （上图补充说明：尽管阿波罗4号火箭的加速速度不比跑车快，但它成功的关键在于它的加速持续了这么长时间，使有效载荷能够逃离地球大气层进入轨道。最终，多级火箭将使人类完全摆脱地球的引力。土星五号火箭后来把人类带到了月球上。） 在地球上，如果你想把东西送入太空，你需要克服地球的引力。我们通常认为这是平衡两种形式的能量：地球自身在其表面提供的重力势能，与你必须增加有效载荷以克服地球引力的动能相比。 如果你平衡了这些能量，你就可以获得你的逃逸速度：一个物体永久地逃离天体引力束缚的最小速度，具备这个速度后，才能最终达到与地球任意远的距离。因为地球有一个厚厚的大气层，阻碍逃逸运动，这就要求我们用更多的能量才能获得逃逸速度，逃逸速度是一个有用的物理概念。  逃逸地球速度模拟图 （上图说明：如果地球没有大气层，那么以特定速度发射炮弹就足以确定它是否掉回地球（A，B），是否停留在环绕地球的稳定轨道上（C，D），还是逃离地球的引力（E）。对于所有非黑洞的物体，这五个轨迹都是可能的。对于黑洞的物体，像C、D和E这样的轨迹在事件视界内是不可能的） 对于我们的星球，逃逸速度大约是11.2公里/秒，我们在地球上发射的火箭实际上可以达到这个速度。自20世纪60年代以来，多级火箭一直在地球引力范围之外发射宇宙飞船，自20世纪70年代以来，甚至在太阳引力范围之外发射宇宙飞船。这是可能的，因为我们地球轨道的位置离太阳表面有很遥远。 如果我们在太阳表面，我们需要达到的脱离太阳引力的速度——逃逸速度——会大得多：大约是地球引力的55倍，或者617.5公里/秒。当我们的太阳死亡时，但只有地球的物理大小。在这种情况下，它的逃逸速度约为4.570公里/s，或光速的1.5%左右。  天狼星A和B，一个正常的（类似太阳的）恒星和一个白矮星 将太阳与太阳成为白矮星后的远近命运进行比较，能从中学到很多东西。随着越来越多的质量被集中到一小区域的空间，逃离这个物体所需的速度就会上升。如果允许质量密度上升，或者通过压缩成更小的体积或向相同的体积增加更多质量，您的逃逸速度将越来越接近光速。 这是关键限制。一旦你在物体表面的逃逸速度达到或超过光速，它不只是光不能出来，它是强制性的（在广义相对论中），物体内的所有内容都不可避免地坍塌到或落入中心奇点。原因很简单：空间本身朝中心区域坍塌的速度比光速快。你的速度限制小于你脚下的空间移动的速度，因此，没有逃生的希望。  黑洞奇点引力动态模拟 （上图说明：无论是在活动视界内还是在活动视界外，空间都像一条移动的走道或瀑布一样流动，这取决于你想如何可视化它。在活动视界，即使你以光速奔跑（或游泳），也不会有克服时空流动的方法，因为时空流动会把你拉入中心的奇点。然而，在事件视界之外，其他力（如电磁）常常可以克服引力的牵引，甚至令坠落物质逃逸。） 所以，如果你在远离中心奇点的任何一点上，你试图抓住一个更遥远的物体来抵抗引力坍缩，你就不能做到；坍缩是不可避免的。超过这个极限的最常见方法很简单：从一颗质量比太阳质量大约20-40倍的恒星开始。 像所有真正的恒星一样，白矮星通过燃烧核心区域的核燃料来维持生命。当燃料耗尽时，中心会在自身重力作用下发生内爆，造成灾难性的超新星爆炸。外层被推出，但是中心区域足够大，坍塌成一个黑洞。这些“恒星质量”黑洞的范围大约在8到40个太阳质量之间，随着时间的推移，它们将不断增长，因为它们吞噬任何敢在附近冒险的物质或能量。即使你在穿越视界时以光速移动，你也逃不脱黑洞的魔爪。  一颗巨大的恒星在其整个生命中，最终形成了一个II型超新星 事实上，一旦你越过事件视界，你将不可避免地遇到中心奇点。从外部观察者的角度来看，一旦你穿过视界的边界，你所做的就是增加黑洞的质量、能量、电荷和角动量。 从黑洞的外部，我们无法获得它的初始组成信息。由质子和电子、中子、暗物质甚至反物质组成的（中性）黑洞看起来都是一样的。事实上，我们只能从外部位置观察到黑洞的三个性质：
 黑洞事件视界外的严重弯曲时空的插图 （上图补充说明：当你越来越靠近黑洞质量的位置时，空间会变得更加严重弯曲，最终导致一个即使光也无法逃离的位置：事件视界。这个位置的半径是由黑洞的质量、电荷和角动量、光速和广义相对论定律单独决定的。） 暗物质，尽管我们还知道它是什么，但我们知道它有质量，而不是电荷。它给黑洞增加的角动量，完全取决于初始下降轨迹。如果你对其他的量子数感兴趣——例如，因为你在思考黑洞信息悖论——你会懊恼地发现暗物质没有这些量子数。 暗物质不具有色电荷、重子数、轻子数、轻子族数等，由于黑洞是由超大质量恒星（即正常的重子物质）的死亡形成的，新形成的黑洞的初始成分100%的正常物质和0%的暗物质。尽管没有明确的方法来判断黑洞是由什么构成的，但我们亲眼目睹了一个黑洞从祖恒星直接形成；没有暗物质涉及。  大质量恒星不见了 （上图说明：哈勃的可见/近红外照片显示了一颗质量约为太阳质量25倍的大质量恒星，它已经消失，没有超新星或其他解释。直接坍缩是唯一合理的解释，也是已知的一种方法，除了超新星或中子星合并之外，首次形成黑洞。） 有一个很好的理由相信，暗物质在黑洞的初始形成过程中不起作用，但会随着时间的推移在黑洞的成长过程中起作用：从它的作用和不相互作用的方式来看。 记住，暗物质只在引力上相互作用，不像正常物质，后者通过引力、弱力、电磁力和强力相互作用。是的，在大星系和星系团中，暗物质的总量可能是正常物质的五倍，但这是整个巨大光环的总和。在一个典型的星系中，暗物质晕从四面八方延伸了一百万光年或更长时间。相比之下，正常物质集中在一个仅占暗物质体积0.01%的圆盘中。  （上图说明：如模拟预测的那样，密度不同的暗物质光环和非常大的漫反射结构，星系的发光部分按比例显示。由于暗物质无处不在，它应该影响它周围的一切的运动。典型暗物质光晕所占据的体积大约是正常物质所占体积的10，000倍。） 黑洞往往形成在星系的内部区域，在那里，正常物质占主导地位。只考虑我们所在的空间区域：太阳周围。如果我们在太阳系周围画一个半径为100（AU）天文单位的球体（其中一个天文单位是地球与太阳的距离），我们将把所有的行星、卫星、小行星和几乎所有的柯伊伯带都围起来。 不过，从数量上讲，这个球体内的重子质量——正常物质——将由我们的太阳主宰，重约2×10的30次方千克。（其他一切加起来，只增加了0.2%。）另一方面，同一个球体中暗物质的总量？只有约1×10的19次方千克，也就是同一区域正常物质质量的0.000000.5%。所有的暗物质加起来和像朱诺（Juno）这样的普通小行星的质量差不多。  在太阳系中，根据一级近似，太阳决定行星的轨道 （上图补充说明：对于第二种近似，所有其他质量（如行星、卫星、小行星等）起着很大的作用。但要加上暗物质，太阳100个天文单位范围内所有暗物质的整体贡献与小行星带第11大小行星朱诺的质量几乎相同。） 随着时间的推移，暗物质和正常物质都会与这个黑洞碰撞，被吸收并增加其质量。绝大多数的黑洞质量增长将来自正常物质而非暗物质，尽管在未来的10的22次方年左右的某个时刻，黑洞的衰变率最终将超过黑洞的增长率。 霍金辐射过程导致粒子和光子从黑洞视界外发射，从而保存了黑洞内部的所有能量、电荷和角动量。也许黑洞表面上编码的信息也以某种方式编码在辐射中：这就是黑洞信息悖论的本质。  在黑洞表面编码的信息位，与事件视界的表面面积成正比 （上图补充注释：当黑洞衰变时，它衰败为热辐射状态。这些信息是否存活下来，是否被编码在辐射中，如果是的话，如何，不是我们目前的理论可以提供的答案。） 这个过程可能需要10的67次方到10的100次方年的时间，这取决于黑洞的质量。但结果仅仅是热辐射，黑体辐射。 这意味着一些暗物质将从黑洞中出来，但这完全独立于大量的暗物质是否首先进入了黑洞。所有的黑洞都有记忆，一旦物质掉进去，是一组小的量子数，进入黑洞的暗物质的数量不在其中。出来的东西，至少在粒子含量方面，不会和你放进去的一样！  黑洞的事件视界是一个球形或球形区域，没有任何东西，甚至光，可以逃离 如果你计算，你会发现黑洞将同时将正常物质和暗物质作为“食物”来源，但正常物质将支配黑洞的生长速度，即使在漫长的宇宙时间尺度上也是如此。当宇宙比今天老10亿倍以上时，黑洞的质量仍占正常物质的99%以上，而暗物质的不到1%。 暗物质不是黑洞的“良好食物”来源，黑洞从吞噬暗物质中获得的收益甚微。只有质量和能量才最合黑洞的胃口，就像您从e=mc²中得到的一样。黑洞和暗物质确实相互作用，但它们的影响是如此之小，以至于即使完全忽略暗物质，仍然能给你一个关于黑洞的伟大过去、现在和未来描述。 |
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