克爾黑洞是指不隨時(shí)間變化的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的軸對(duì)稱黑洞。
這類黑洞的中心是一個(gè)奇環(huán)，有內(nèi)、外兩個(gè)視界。內(nèi)視界為黑洞奇異性的界限，而外視界則為不可逃脫的界限。這就意味，一旦你落入外視界，你不會(huì)立即被黑洞的種種奇異性摧毀，但此時(shí)你將會(huì)不可避免地落入內(nèi)視界。兩界面僅在兩極處相切。除去兩視界外，克爾黑洞的最外圍還有一個(gè)界限稱為靜止界限（簡(jiǎn)稱靜界）或無限紅移面。靜界產(chǎn)生于克爾黑洞的參考系拖拽效應(yīng)，通俗地講，就是克爾黑洞旋轉(zhuǎn)時(shí)拖動(dòng)著周圍的時(shí)空一起轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢岳斫鉃樵陟o界處時(shí)空的“旋轉(zhuǎn)速度”等于光速，這就意味著靜界內(nèi)的飛船無論如何不能保持相對(duì)靜止（物體移動(dòng)的最大速度為光速）。靜界并非克爾黑洞的真正界限，因?yàn)檫M(jìn)入靜界后仍然可以逃離。靜界和視界之間的夾層稱為能層?？藸柡诙纯赡芘c白洞連接，因此，進(jìn)入克爾黑洞的物體只要不撞在奇環(huán)上就有可能從白洞出來。
原理
克爾黑洞是愛因斯坦場(chǎng)方程預(yù)言下的一類帶有角動(dòng)量的黑洞，是二種旋轉(zhuǎn)黑洞中的一種。阿爾伯特·愛因斯坦方程有一個(gè)只依賴于這兩個(gè)參量的精確解。這個(gè)解由新西蘭物理學(xué)家羅伊·克爾(RoyKerr)于1962年得到，描述的是轉(zhuǎn)動(dòng)黑洞的引力場(chǎng)。這個(gè)理論發(fā)現(xiàn)有著重要的天文學(xué)意義，其價(jià)值不亞于一種新基本粒子的發(fā)現(xiàn)。相比于靜態(tài)的史瓦西黑洞，克爾黑洞更接近于實(shí)際物理上的黑洞，因?yàn)榇蠖鄶?shù)恒星都具有一定的自轉(zhuǎn)角動(dòng)量，當(dāng)它們縮成黑洞時(shí)仍然會(huì)保留部分角動(dòng)量。
根據(jù)科學(xué)家研究，克爾黑洞很可能連接著兩個(gè)世界，但這只是一種推測(cè)！具體有待驗(yàn)證！
所有恒星都在自轉(zhuǎn)，因而就不是嚴(yán)格球形的，而是在兩極處稍稍變化，于是一顆真實(shí)恒星的引力坍縮就不能由球?qū)ΨQ的史瓦西解來精確地描述。實(shí)際上，恒星周圍時(shí)空的幾何將由于引力波的產(chǎn)生而變得相當(dāng)復(fù)雜。
為什么引力波會(huì)擾亂幾何呢？道理很簡(jiǎn)單：所有運(yùn)動(dòng)物質(zhì)（例如一顆轉(zhuǎn)動(dòng)恒星）的引力場(chǎng)都隨時(shí)間變化。因此，由引力造成的時(shí)空彎曲在每個(gè)時(shí)刻都會(huì)變化，以反映新的物質(zhì)構(gòu)造。這種再調(diào)節(jié)像一種“皺紋”，以光速在背景幾何中傳播。
球?qū)ΨQ性最差的坍縮恒星發(fā)出最多的引力波。一旦視界形成，恒星坍縮成了黑洞，情況則立即簡(jiǎn)化。在視界形成的瞬間，其形狀可能仍不規(guī)則，并表現(xiàn)出劇烈的振動(dòng)，但在不到1秒鐘之內(nèi)引力波會(huì)抹去所有的不規(guī)則性。于是視界停止振動(dòng)并成為單一的平滑的形狀，即一個(gè)兩極因離心力而變扁平的橢球面。
這就是為什么一顆規(guī)縮成黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)恒星的引力場(chǎng)會(huì)最終達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)只依賴于兩個(gè)參量，即質(zhì)量和角動(dòng)量，后者表征恒星的轉(zhuǎn)動(dòng)，類似于基本粒子的自旋。
克爾在史瓦西解的基礎(chǔ)上，讓這個(gè)黑洞模型旋轉(zhuǎn)起來，從而得到了克爾解所描述的黑洞。別小看這個(gè)旋轉(zhuǎn)，在黑洞強(qiáng)大的引力下，不僅僅要考慮旋轉(zhuǎn)引起的離心現(xiàn)象，還要考慮黑洞對(duì)外部時(shí)空的拖曳、對(duì)內(nèi)部時(shí)空的擾動(dòng)，以及相應(yīng)的黑洞結(jié)構(gòu)的改變和從而產(chǎn)生的影響。因此，克爾黑洞的結(jié)構(gòu)比史瓦西黑洞復(fù)雜了許多。
在克爾黑洞的最散逸層，由于旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生對(duì)周圍時(shí)空的拖曳效應(yīng)（倫斯——梯林效應(yīng)），存在著一個(gè)判斷物體是否可以靜止于時(shí)空中的靜止界面。靜止界面外的物體，可以通過推進(jìn)器等裝置在被拖曳的時(shí)空旋渦中相對(duì)于極遠(yuǎn)處的觀測(cè)者靜止不動(dòng)，而在靜止界面內(nèi)，可以斷定，物體一定會(huì)被黑洞的強(qiáng)大引力拖動(dòng)，開始旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)界面內(nèi)部，和卡爾·史瓦西黑洞一樣存在著視界，但是要比史瓦西視界更加復(fù)雜，因?yàn)樵谶@里，視界分為兩個(gè)：內(nèi)視界和外視界。外視界是物體能否與外界通訊的分界面，而內(nèi)視界是奇點(diǎn)的奇異性質(zhì)能否影響外界的分界面。也就是說，進(jìn)入外視界的物體，必定會(huì)被吸入奇點(diǎn)，然后被摧毀，但是還可以在達(dá)到內(nèi)視界以前享受一段相對(duì)“安寧”的日子，而一旦進(jìn)入了內(nèi)視界，那么任何物體都會(huì)在內(nèi)視界中奇點(diǎn)奇異性質(zhì)的面前屈服，在達(dá)到奇點(diǎn)以前便被摧殘盡。在外視界和靜止界面之間，有一個(gè)相對(duì)十分廣闊的區(qū)域，叫“能層”。在能層中蘊(yùn)藏著黑洞旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)能。從理論上，可以在靜止界面外建立一個(gè)空間站，然后利用拋物投射來提取黑洞的旋轉(zhuǎn)能，得到幾乎無窮盡的能源。此外，在能層中，由于黑洞旋轉(zhuǎn)帶來的拖曳會(huì)將時(shí)空撕裂，從而產(chǎn)生穿越時(shí)空的蟲洞。
在內(nèi)視界內(nèi)部，和史瓦西黑洞一樣有一個(gè)奇異性質(zhì)匯聚的地方，但是不像史瓦西黑洞那樣是一個(gè)奇點(diǎn)，而是一個(gè)獨(dú)特的奇異環(huán)，一個(gè)充滿了量子效應(yīng)奇異性質(zhì)的面，安靜地平躺在黑洞赤道面上。
要注意的是，卡爾·史瓦西幾何描述的是一個(gè)球形物體的引力場(chǎng)，不論該物體是否處于靜止；而克爾幾何描述的只是一個(gè)最后的平衡態(tài)，它只適用于視界已經(jīng)形成和所有的畸形都已被引力波掃除之后，而不能用于轉(zhuǎn)動(dòng)恒星的實(shí)際坍縮過程。
性質(zhì)：另外它還有一個(gè)重要性質(zhì)：我們可以從中提取能量。這聽起來有些不可思議，因?yàn)槲覀兌颊J(rèn)為黑洞是一毛不拔的吝嗇鬼。
這里的奧秘在于克爾黑洞有能層，意思就是能夠從中提取能量的一層?？藸柡诙吹哪芰拷M成有兩部分：質(zhì)量對(duì)應(yīng)的引力勢(shì)能和轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。我們所能提取的是轉(zhuǎn)動(dòng)能。
提取方法：派飛船進(jìn)入能層，然后朝黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)方向的反方向扔下一個(gè)重物，然后快速離去。這個(gè)過程會(huì)使黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量降低，減少的部分轉(zhuǎn)移到飛船上，另外，轉(zhuǎn)動(dòng)量也降低，這部分能量也轉(zhuǎn)移到了飛船上，這就從黑洞中提取了能量。不過，黑洞也不吃虧，它雖然失去了轉(zhuǎn)動(dòng)能，但是得到了一大塊物質(zhì)。黑洞并不在乎轉(zhuǎn)動(dòng)能，它在乎的是視界的面積。黑洞進(jìn)行的任何活動(dòng)都保持視界面積只增加不減少，上述過程能夠使視界面積增加，所以能夠進(jìn)行。
分類：在黑洞的熱動(dòng)力學(xué)方面，黃金比例起著意想不到的作用。通常可將黑洞分為兩類：不旋轉(zhuǎn)的（角動(dòng)量為0）和旋轉(zhuǎn)的，旋轉(zhuǎn)的黑洞被稱為“克爾黑洞”。克爾黑洞又以兩種狀態(tài)存在：一種是當(dāng)它們喪失能量時(shí)被加熱；另一種則是被冷卻。這兩種狀態(tài)還會(huì)相互轉(zhuǎn)化，而轉(zhuǎn)化的條件只有在其質(zhì)量的平方與角動(dòng)量的平方之比為“黃金比例”時(shí)才成立。
研究
美國(guó)華盛頓大學(xué)的物理學(xué)家協(xié)同法國(guó)學(xué)者成功模擬出克爾黑洞圖像。與其復(fù)雜的理論模型不同，該圖像令人驚訝的簡(jiǎn)單。這項(xiàng)成果不但有助于更好地理解克爾黑洞的構(gòu)造與轉(zhuǎn)動(dòng)黑洞的引力場(chǎng)，還可將理論假說和圖像相比較，促進(jìn)理論的進(jìn)一步完善。
由于所有恒星都自轉(zhuǎn)，其形狀必不能成為嚴(yán)格的球形，因此亦不能由球?qū)ΨQ的理論來描述。1963年，新西蘭物理學(xué)家羅伊·克爾得到了能描述不帶電旋轉(zhuǎn)恒星的阿爾伯特·愛因斯坦引力場(chǎng)方程的解，這一理論對(duì)于天文學(xué)的意義，不亞于一種新基本粒子的發(fā)現(xiàn)，因他之名，由這類恒星坍縮形成的黑洞就叫克爾黑洞。
克爾黑洞以恒常速度旋轉(zhuǎn)，根據(jù)愛因斯坦引力場(chǎng)方程，一顆規(guī)縮成黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)恒星的引力場(chǎng)會(huì)最終達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)只依賴于兩個(gè)參量，即質(zhì)量和角動(dòng)量，后者代表恒星的旋轉(zhuǎn)的速度，類似于基本粒子的自旋。
一直以來，這類帶有角動(dòng)量的黑洞，被稱之為自然界最完美的物體之一，其相關(guān)的守恒定律與理論假說在問世40年后仍然神秘莫測(cè)。而今模擬圖顯示：克爾黑洞首先是軸對(duì)稱的，即繞對(duì)稱軸轉(zhuǎn)動(dòng)，作短程線運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)粒子其能量是守恒的；同時(shí)其繞對(duì)稱軸的角動(dòng)量分量也守恒；另外其還允許試驗(yàn)粒子遵循第三個(gè)守恒定律；而在克爾黑洞中，所有的數(shù)理方程，包括支配引力波傳播的一些方程，都可以分離變量，因而得到明確的解。
應(yīng)用
研究人員借由圖像分析，在克爾黑洞環(huán)境中依據(jù)廣義相對(duì)論來描述小質(zhì)量黑洞繞大質(zhì)量黑洞進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作。同時(shí)，雖說圖像的建立由理論模型而來，但研究人員希望，可視化的成果亦能對(duì)引力波天文學(xué)領(lǐng)域的理論起到或修正或補(bǔ)充的作用。
參考資料 >
神秘理論可視化 科學(xué)家模擬出克爾黑洞圖像.人民網(wǎng).2013-08-05