黑洞-第17部分
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对于一个黑洞或一颗行星来说，最显而易见的照明光源是一颗恒星。比如说，这颗恒星可以和黑洞一起束缚在～个双星系统里，但是，尽管这种系统在银河系里可能很多，但其中的黑洞是不能由照明效应来探测的，因为由反射光所形成的黑洞像会完全淹没在恒星自身直接像的强光里。
从观测的角度来说，一个有趣得多的情况是，照明光源是围绕着黑洞的一系列物质环，第四篇里将论证，许多黑洞周围确有这种物质构造，被称为吸积盘。土星的光环就是吸积盘的一个极好样本，不过那些光环是由石头和冰的微粒混合而成，而黑洞的吸积盘由热气体组成（另一个重要区别是，黑洞周围的吸积盘不断有新的气体补充进来，而上星的光环只是原初太阳系的遗迹）。气体缓慢地落入黑洞，就像旋涡中的水，气体在向黑洞下落的过程中，温度越来越高，并发出辐射，发光的吸积环就成了光源，照亮中心的黑洞。
图32描绘出一个环绕球形黑洞的圆形盘的轮廓。像是在盘面上方稍稍倾斜的方向上远距离处拍摄的。黑洞附近时空的强烈弯曲使圆盘的像放大和变形。上星光环看上去是一系列的椭圆，因为那是在近乎平直的时空里，而这里的像一分为二，主级像由盘的上表面发射的光线形成，偏转小于180”。第一个意外是，盘的全部上表面，无论是在黑洞前方还是背后的，包括在平直几何里被“正常地”遮掩的部分，都能被看到（从地球上看去，土星的环就被部分地遮掩）。
更惊人的是黑洞周围的时空弯曲使得盘的下表面也能被看到，这就是次级像，所以，同时观察吸积盘的上、下表面是可能的。
实际上，像有无数个，因为盘面发射的光可以环绕黑洞运行任意次数，再脱离其引力场并被远处观察者接收。主级像显示盘的上表面，次级像显示其下表面，三级像又显示上表面，依此类推。不过高级的像并无实际意义，因为它们已贴近中心黑盘的边缘，这个黑盘是真实黑洞被放大的像。
给黑洞拍”照
这些照明实验虽然是理想化的，但却至少表明，黑洞如何通过其引力场对辐射起着某种透镜那样的作用，使单个光源产生多重像。现在来考虑一种更真实的情况。在过去的20年中，围绕着天体的物质环得到了深入的研究，因为这种结构与大量的天文现象有关：行星（土星、木星、天王星和海王星），一个子星是致密星（白矮星、中于星或黑洞）的双星系统。黑洞周围的引力场吸取从伴星溢出的气体，贮人吸积盘，并慢慢吞噬掉。
精细的吸积盘模型解释了一些双星系统（如天鹅座X－l）的高能辐射。在大得多的尺度上，一些星系核心和类星体的高光度也能由物质向黑洞的流入来解释，而黑洞的质量为几百万到几十亿Mop关于这些天文现象中黑洞作用的详细讨论将是第四篇的课题。现在只要知道，当单位时间里流入黑洞的物质不是太多时，物质流会形成一个很薄的吸积盘，盘的辐射可以精确计算出来。
我在1978年用计算机计算了史瓦西时空中的光线轨迹，给一个由薄吸积盘环绕的黑洞重拍了一张照片（图对）。由薄盘上的某一点所发出的辐射的强度只依赖于该点到黑洞的距离，因此这幅重新构造成的图像是普适的，即与黑洞的质量和流人的气体量都无关。这幅图可以表示直径为10公里的黑洞，也同样可以表示像整个太阳系那么大并吞噬着星际气体的黑洞。
像图32一样，上盘面完全可见，但是，下盘面只有一小部分可见。实际的气体盘是不透明的，因而会吸收所遭遇的光线，于是，显示下盘面的次级像的大部分被主级像掩盖，高度变形的可见部分靠近黑洞的边缘。
黑洞与盘的内边缘之间的区域不发出辐射。史瓦西时空的性质不允许吸积盘与黑洞表面接触。盘中气体近乎圆形的轨道只能保持到3倍于史瓦西半径的距离处为止，在这个特征距离以内盘是不稳定的，气体粒子直接冲入黑洞，没有时间发出电磁辐射。
这张黑洞“照片”的主要特征是盘的各个区域光度之间的明显差异。最靠近视界的盘内区辐射光度是最强的，因为那里的气体温度最高，但是，盘的表观光度与实际光度大不相同。除了圆环的几何变形之外，远处照相底板所接收的辐射相对于盘发出的辐射还发生了频率移动和强度改变。有两种移动效应：一种是已经几次谈到的爱因斯坦效应，即引力场使频率降低，强度减弱；另一种是更熟悉的多普勒（DoPPler）效应，由辐射源相对于观测者的运动而造成，源趋近时接收强度增大，源远去时则减弱（另见第16章）。现在，多普勒效应是由于盘围绕黑洞的转动，盘的最靠近黑洞的区域转动速度接近光速，因而多普勒效应很强。照片中盘的转动方向是这样的，在右边物质相对于观测者退行，在左边则是趋近观测者。物质退行时，多普勒衰减与引力衰减合在一起，使得照片右边很暗弱，而在左边这两个效应相互抵消，于是得到的像大致与实际光度一致。第十一章 落入漩涡
我被对旋涡的强烈好奇心支配着。我确实感到一种去探测其深度的愿望，即使我将因此牺牲自己。我的最大遗憾是不能把看到的奥秘告诉岸上的老伙伴们。
——edar德加·爱伦·坡（Edgar Allan POe）《落入旋涡》（回840）
克尔黑洞
所有恒星都在自转，因而就不是严格球形的，而是在两极处稍稍变干，于是一颗真实恒星的引力坍缩就不能由球对称的史瓦西解来精确地描述。实际上，恒星周围时空的几何将由于引力波的产生而变得相当复杂。
为什么引力波（见第18章）会扰乱几何呢？道理很简单：所有运动物质（例如一颗转动恒星）的引力场都随时间变化。因此，由引力造成的时空弯曲在每个时刻都会变化，以反映新的物质构造。这种再调节像一种“皱纹”，以光速在背景几何中传播。
球对称性最差的坍缩恒星发出最多的引力波。一旦视界形成，恒星坍缩成了黑洞，则情况立即简化。在视界形成的瞬间，其形状可能仍不规则，并表现出剧烈的振动，但在不到1秒钟之内引力波会抹去所有的不规则性（图34）。于是视界停止振动并成为单一的平滑的形状，即一个两极因离心力而变扁平的椭球面。
这就是为什么一颗规缩成黑洞的转动恒星的引力场会最终达到一个平衡状态，这个状态只依赖于两个参量，即质量和角动量，后者表征恒星的转动，类似于基本粒子的自旋（见“简并物质”一节）。
爱因斯坦方程有一个只依赖于这两个参量的精确解。这个解由新西兰物理学家罗伊·克尔（RoyKerr）于1962年得到，描述的是转动黑洞的引力场。这个理论发现有着重要的天文学意义，其价值不亚于一种新基本粒子的发现。科学总是这样，理论与实验相互促进发展。
要注意的是，史瓦西几何描述的是一个球形物体的引力场，不论该物体是否处于静止；而克尔几何描述的只是一个最后的平衡态，它只适用于视界已经形成和所有的畸形都已被引力波扫除之后，而不能用于转动恒星的实际坍缩过程。
极端黑洞
大多数恒星在作较差转动。它们由具有不同密度、以不同速度旋转的气体层组成。在太阳系里，气体行星（如木星、上星）的大气呈现多条与赤道平行的长带，这就是较差转动的效应。克尔黑洞的转动却是完全刚性的，视界上所有的点都以同样角速度转动。
另一方面，恒星不能以任意速度转动。即使像一个巨大的转动陀螺一样的中子星，也不可能每秒转动1000周以上，因为超过这个极限，星体就会被离心力瓦解。同样也存在一个临界角速度，超过了它，视界就会“破碎”，只留下裸露的中心奇点。这个极限所对应的视界具有等于光速的转动速度，这种“极端”黑洞视界上的引力场为零。用牛顿的语言来说，就是在视界上，离心排斥力与引力正相抵消。
很有可能，大多数由大质量恒星引力坍缩而形成的黑洞所具有的角速度很接近这个极限。实际上，有许多转动的恒星，虽然还远不是黑洞，却已经具有很高的角速度（太阳的角速度是极限值的20％）。如果在坍缩过程中角动量守恒（角动量守恒解释了中子星的高转动速度，见第7章），恒星级黑洞就应当很接近这个极限状态。因此，被认为是双星X射线源“发动机”的3Mpe洞（见第四篇），就必然每秒钟转动将近5000转。
但是，黑洞并不是在固定的外部空间中转动的陀螺。我们不可能在视界上放一只灯泡井数它每秒钟转过的次数，克尔黑洞施曳着整个时空同它一起转动（按照广义相对论，所有大质量的转动物体也都是如此，但是这种被称为伦斯＞锑林（Lense－Thir－ring）效应的几何拖曳是极小的，除非该物体已经坍编成为黑洞）。理论上，只有在无限远处时空才停止“转动”，因而才可以认为视界具有一个角速度。靠近黑洞处的时空被不可抗拒地扭曲成旋涡状，黑洞是一个宇宙大旋涡，这是它的第二条基本特征，仅次于对光的捕获。
宇宙大旋涡
但是已经没有时间让我考虑自己的命运了。圆圈在迅速缩小——我们被旋涡疯狂地抓住了，大海在翻腾，暴风在呼啸，我们的船在颤抖——一啊，上帝，它还在—…·下沉！
——德加·爱伦·坡《瓶子里发现的手稿》
转动黑洞与人们熟悉的涡流现象很有些相似，从浴缸里的水流入底部的孔时形成的涡流，到海洋的水流形成的巨大涡流，例如埃德加·爱伦·坡在他的《奇遇记》中描绘的神话般的挪威海大旋涡，甚至由儒勒·凡尔纳（Jules Verne）在他的《绿光》一书中提到的苏格兰赫布里底群岛的巨大冰坑（也不要忘记，在《海底两万俚》一书的结尾，儒勒·凡尔纳让潜水艇“鹦鹉螺”号消失在一个海底深渊里）。
旋涡里水的螺旋运动可以分解为圆周运动和朝中心的下落两个部分。圆周运动只有一个与到旋涡中心距离的平方根成反比的切向速度，下落运动则只有一个远小于切向速度并与到中心的距离成反比的径向速度。
现在设想有一只机器船冒险驶入旋涡（图35）。船在静水中的最大速度为20公里／小时。在远离旋涡时船显然没有任何困难来克服水的运动的影响，船可以朝任何方向行驶，可以趋近或远离旋涡，可以逆着水流航行，也可以不用抛锚而停在一个固定位置。
如果驾驶员决定朝向旋涡行驶，那么终将出现这样一种情况，即在与中心的某一距离上，水的圆周运动速度等于船的最大航速即20公里／小时。在这个临界距离以内，即使船开足马力，也不能保持在一个固定位置上，而是被迫沿着旋涡的旋转方向运动。更准确地说，原先能自由地朝任何方向行驶的船，现在被限制在一个张角以内的范围，这个角由从船的位置射出并与其前方的“航行圈”相切的两条直线组成。这时的船虽然被环向水流拖曳，但仍能沿一条适当的轨道偏转，向外旋出，脱离旋涡。
如果这条船仍向内行驶，离旋涡中心太近，以至于水流的径
