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科学星|为什么黑洞必须以几乎接近光的速度旋转？( 二 )


科学星|为什么黑洞必须以几乎接近光的速度旋转？
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角动量守恒确保当她把质量拉向旋转轴的中心时 ， 她的角速度加快来补偿 。
那么 ， 如果你把一颗像太阳这样的恒星——具有太阳的质量、体积和转速——压缩成地球大小的体积 ， 会发生什么呢？
信不信由你 ， 如果你假设角动量是守恒的 ， 太阳和我们想象的压缩太阳都是球体 ， 这是一个完全可以解决的问题只有一个可能的答案 。 如果认为太阳的整体旋转每隔33天 ， 只有内40%的太阳变成白矮星 ， 你会得到一个惊人的答案：太阳 ， 白矮星 ， 将在短短25分钟完成一个旋转 。
科学星|为什么黑洞必须以几乎接近光的速度旋转？
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当质量较低的类太阳恒星耗尽燃料时 ， 它们会在行星状星云中爆炸掉外层 ， 但中心收缩形成一颗白矮星 ， 这需要很长时间才会消失在黑暗中 。 太阳产生的行星状星云应该会完全消失 ， 在大约95亿年之后 ， 只剩下白矮星和我们的剩余行星 。 有时 ， 物体会被潮汐撕裂 ， 给我们太阳系的剩余部分添加灰尘环 ， 但它们是短暂的 。 白矮星将会比我们现在的太阳旋转得快得多 。
通过让所有的质量都靠近恒星残骸的旋转轴 ， 我们确保了它的转速一定会上升 。 一般来说 ， 如果把一个物体旋转时的半径减半 ， 它的转速就会增加四倍 。
不出所料 ， 你可能会开始问中子星或黑洞：甚至更极端的物体 。 中子星通常是一颗质量大得多的恒星在超新星中结束生命的产物 ， 在超新星中 ， 核心的粒子被压缩得如此之紧 ， 以至于它表现得像一个巨大的原子核 ， 几乎完全由中子(90%或更多)组成 。 中子星的质量通常是太阳的两倍 ， 但直径只有20至40公里 。 它们的旋转速度比任何已知的恒星或白矮星都要快得多 。
科学星|为什么黑洞必须以几乎接近光的速度旋转？
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中子星是宇宙中密度最大的物质集合之一 ， 但它们的质量有一个上限 。 超过它 ， 中子星将进一步坍缩形成黑洞 。 我们所发现的自转速度最快的中子星是一颗脉冲星 ， 它每秒旋转766次 。
如果你把整个太阳压缩成一个直径40千米的体积 ， 你会得到一个比白矮星更快的旋转速度：大约10毫秒转一圈 。 同样的原理 ， 我们应用在花样滑冰运动员身上 ， 关于角动量守恒 ， 使我们得出结论 ， 中子星可以在一秒钟内完成100多个完整的旋转 。
事实上 ， 这与我们的实际观测完全吻合 。 一些中子星沿着地球的视线发射射电脉冲：脉冲星 。 我们可以测量这些物体的脉冲周期 ， 虽然有些物体旋转大约需要一秒钟的时间 ， 但有些物体旋转仅需1.3毫秒 ， 最高可达每秒766次 。
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中子星很小 ， 整体光度很低 ， 但它很热 ， 需要很长时间才能冷却下来 。 如果你的眼睛足够好 ， 你会看到它在宇宙现在的年龄照耀数百万次 。 中子星从x射线发射光线到光谱的射电部分 ， 有些中子星每旋转一次就会产生脉冲 ， 使我们能够测量它们的旋转周期 。
这些毫秒脉冲星移动得很快 。 在它们的表面 ， 这些旋转速度与相对论速度相对应：对于最极端的物体 ， 其速度超过光速的50% 。 但是中子星并不是宇宙中密度最大的物体 ， 这个荣誉属于黑洞 ， 它把所有的质量压缩到一个空间区域 ， 在那里 ， 即使是一个以光速运动的物体也无法逃离它 。
如果你把太阳压缩成一个半径只有3千米的体积 ， 这将迫使它形成一个黑洞 。 然而 ， 角动量守恒意味着这个内部区域的大部分会经历剧烈的框架拖曳 ， 以至于空间本身会以接近光速的速度被拖曳 ， 甚至在黑洞的史瓦西半径之外 。 你压缩的质量越大 ， 空间结构本身被拖拽的速度就越快 。


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