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旋转黑洞可以为高超音速航天器打开平缓的入口

对于超大的旋转黑洞来说,宇宙飞船必须面对的奇点非常温和。亚伦·斯通(Aaron Stone/Shutterstock)

是科幻小说中最受珍视的场景之一,它利用黑洞作为通往另一个维度、时间或宇宙的入口。这种幻想可能比以前想象的更接近现实,

黑洞可能是宇宙中最神秘的物体。它们是重力无限制地压碎一颗垂死的恒星,导致形成真正的奇点的结果——当一整颗恒星被压缩到一个点,产生一个密度无限的物体时,就会出现这种情况。这个稠密而炽热的奇点在时空本身的结构上打了一个洞,可能为超空间旅行打开了一个机会。也就是说,一条穿越时空的捷径,可以在短时间内穿越宇宙尺度的距离。

研究人员此前认为,任何试图利用黑洞作为这种类型的入口的航天器都必须在最坏的情况下考虑大自然。炽热而密集的奇点会使宇宙飞船在完全蒸发之前经受一系列越来越不舒服的潮汐拉伸和挤压。

穿过黑洞

我在麻省大学达特茅斯分校的团队和乔治亚州格温内特学院的同事已经证明所有的黑洞不是平等的。如果像人马座A这样的黑洞,位于我们银河系的中心,是大而旋转的,那么宇宙飞船的前景将发生巨大的变化。这是因为宇宙飞船所要面对的奇点非常温和,可以允许非常和平的通过。

之所以有可能,是因为旋转黑洞内的相关奇点在技术上是“弱”的,因此不会损坏与其相互作用的物体。起初,这一事实似乎有悖常理。但人们可以把它看作是一种普通的经验,即迅速地将手指穿过接近2000度的蜡烛火焰,而不被灼伤。

我和我的同事Lior Burko已经对黑洞的物理进行了20多年的研究。2016年,我的博士生卡罗琳·马拉里受到克里斯托弗·诺兰(Christopher Nolan)的大片《星际》(Intercella)的启发,开始测试库珀(马修·麦康纳(Matthew McConaughey)的角色)是否能在他坠入巨型黑洞(一个虚构的、超大质量的、快速旋转的黑洞,其质量约为我们太阳质量的1亿倍)后幸存下来《星际》是根据诺贝尔奖获得者天体物理学家基普·索恩的一本书改编的,巨无霸的物理特性是这部好莱坞电影情节的核心。

是在物理学家阿莫斯·奥利20年前所做的工作的基础上发展起来的,并以她强大的计算能力武装起来,Mallary建立了一个计算机模型,可以捕捉到宇宙飞船或任何大型物体上的大部分基本物理效应,就像人马座一样,掉进一个巨大的旋转黑洞中,一次颠簸都不会她发现,在任何情况下,落入旋转黑洞的物体在通过黑洞所谓的内视界奇点时,都不会经历无限大的影响。这是一个进入旋转黑洞的物体无法绕过或避免的奇异点。不仅如此,在适当的情况下,这些影响可能是微不足道的,允许一个相当舒适的通道通过奇点。事实上,坠落物可能根本没有明显的影响。这增加了使用大的,旋转黑洞作为超空间旅行的入口。

Mallary还发现了一个以前没有被充分认识的特征:在旋转黑洞背景下奇异性的影响将导致航天器上迅速增加的拉伸和挤压循环。但对于像巨洞这样的超大黑洞,这种效应的强度将非常小。所以,宇宙飞船和任何船上的个人是不会察觉到的。

关键的一点是这些效应在没有限制的情况下不会增加;事实上,它们是有限的,尽管当航天器接近黑洞时,其上的应力趋于无限增长,

在Mallary模型中有一些重要的简化假设和由此产生的警告。主要假设是考虑中的黑洞是完全孤立的,因此不会受到附近另一颗恒星等源的持续干扰,甚至不会受到任何坠落辐射的影响。虽然这一假设允许进行重要的简化,但值得注意的是,大多数黑洞都被宇宙物质——尘埃、气体、辐射所包围。

因此,Mallary工作的自然延伸是在更真实的天体物理黑洞背景下进行类似的研究。

Mallary的 ... 在黑洞物理学领域,利用计算机模拟来检验黑洞对物体的影响是非常普遍的。不用说,我们还没有能力在黑洞中或黑洞附近进行真正的实验,所以科学家们借助理论和模拟,通过作出预测和新的发现,来发展一种理解。

Gaurav Khanna,物理学教授,麻省大学达特茅斯分校

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