膨胀宇宙中黑洞的惊人行为

Josiah02 · 发表于 2024-7-6 14:40:44

一位研究黑洞的物理学家发现，在不断膨胀的宇宙中，爱因斯坦方程要求宇宙在每个黑洞事件视界处的膨胀率必须是一个常数，对所有黑洞都一样。反过来，这意味着事件视界处的唯一能量是暗能量，即所谓的宇宙常数。这项研究发表在arXiv预印本服务器上。
纽黑文大学杰出讲师尼科德姆·波普洛夫斯基 (Nikodem Popławski) 表示：“否则，物质的压力和时空的曲率在视界处必须是无限的，但这不符合物理规律。”
黑洞是一个令人着迷的话题，因为它是宇宙中最简单的东西：它们唯一的属性是质量、电荷和角动量（自旋）。然而，它们的简单性却带来了一种奇妙的属性——它们在距离黑洞一定距离处有一个事件视界，事件视界周围有一个非物理表面，在最简单的情况下是球形的。任何靠近黑洞的东西，即事件视界内的物体，都永远无法逃离黑洞。
1916 年，卡尔·史瓦西 (Karl Schwarzschild) 预测了黑洞的存在，当时他还是一名在俄国前线服役的德国士兵，患有一种痛苦的自身免疫性皮肤病天疱疮。
利用爱因斯坦的广义相对论方程，他假设一个质量大、不旋转、完美圆形的物体存在于一个空旷且不变的宇宙中，并发现了事件视界。事件视界的半径与黑洞的质量成正比。在视界内，即使是宇宙中速度最快的物体——光，也无法逃离黑洞。
史瓦西还在黑洞中心发现了一个明显的奇点，这是一个密度无限大的地方，爱因斯坦的引力定律显然在这里失效。
此后，天文学家发现，大多数星系的中心似乎都有一个超大质量黑洞；对于银河系来说，这个黑洞就是人马座 A*，其质量是太阳的 400 多万倍。直到 2019 年，才直接拍摄到黑洞的图像，这是一个周围有光晕的黑点，位于距离地球 5500 万光年的梅西耶 87 星系中心。
波普瓦斯基超越了史瓦西的假设，假设膨胀的宇宙中存在一个质量巨大、中心对称的物体。在这种情况下，英国数学家和宇宙学家乔治·麦克维蒂于 1933 年首次获得了爱因斯坦质量周围时空结构的方程解。
麦克维蒂发现，在靠近质量的地方，时空就像史瓦西的时空一样，有一个事件视界，但远离质量的地方，宇宙正在膨胀，就像我们今天的宇宙一样。哈勃参数，也称为哈勃常数，指定宇宙的膨胀率。
波普瓦斯基利用麦克维蒂的解决方案发现，事件视界处空间的膨胀率必须是一个常数，只与宇宙常数（可以解释为时空真空的能量密度）有关。今天我们将其称为暗能量的密度。也就是说，视界处唯一的能量就是暗能量。他说，结果是宇宙的不同部分以不同的速率膨胀。
事实上，所谓的“哈勃张力”也存在类似现象，哈勃参数的两个不同测量值之间存在统计显著差异，具体取决于使用的是“晚期宇宙”测量技术还是基于宇宙微波背景测量的“早期宇宙”技术。波普洛夫斯基在他的著作中表示，这种差异“是爱因斯坦广义相对论中对膨胀宇宙中黑洞时空进行正确分析的自然结果”。
此外，他的方程式表明，宇宙以不同速率膨胀的结果是宇宙常数（因此暗能量的值）必须为正。否则，如果没有这个常数，波波夫斯基说，“封闭的宇宙就会振荡，无法产生宇宙空洞。”
“这是对目前观测到的宇宙加速度最简单的解释。”
比如对于一颗恒星来说，宇宙也在其表面边界膨胀，但由于受到引力和电磁的束缚，其主体不会膨胀。
然而，事件视界是一个数学上抽象的东西，不是由物质或能量构成的东西，而是由空间点构成的，因此空间在那里以恒定的速度膨胀并不奇怪。事件视界本身（以及黑洞）并没有膨胀；视界外的空间点正在远离它。
真正的黑洞会旋转，但如果旋转速度通常很慢，波波夫斯基的结论也应该适用于它们。但目前不可能在事件视界测量哈勃参数，除非开发出新技术。
原则上，事件视界处的观察者可以测量那里的哈勃参数，但由于他正在坠落到事件视界之外，因此永远无法将其值传达给宇宙的其余部分，并且不可能将任何信息发回事件视界。
波普瓦斯基表示，这与他在 2010 年发表的一个假设相吻合：每个黑洞实际上都是一个虫洞（爱因斯坦-罗森桥），通向其事件视界另一侧的新宇宙。
“事件视界是从一个宇宙通向另一个宇宙的大门，”他说。“这个大门不会随着宇宙的膨胀而变大……如果这发生在形成一个宇宙的黑洞的事件视界上，那么它也应该适用于该宇宙中其他黑洞的事件视界。”

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