黑洞系列——黑洞的公转和自转

黑洞既有公转，也可以有自转。

先从公转说起吧，先公后私嘛。

我们知道黑洞是通过恒星坍缩后形成的致密天体，在恒星演化到末期，大质量恒星核聚变产生到铁，由于铁核聚变所需的能量超过了其核聚变所能产生的能量，所以恒星就没法再继续通过铁核聚变释放能量从而抵抗引力坍缩，最终在引力坍缩下产生一次猛烈的超新星爆炸，把大量剩余物质抛射到宇宙空间，剩下的核心部分会在引力作用下向内坍缩，当坍缩的剩余的质量超过某个临界值，核心的坍缩就会相继突破电子简并压的钱德拉塞卡极限和中子简并压的奥本海默极限，最终坍缩成一个黑洞。

从整个过程中可以发现，黑洞的前身就是一个大质量恒星，而星系内的所有恒星都是绕着银河系中心公转的，我们假设黑洞前身的超新星爆炸是大致各向均匀的，也就是各个方向抛射的物质大致相同，产生的动量也就大致相同，根据动量守恒，那么就可以认为，黑洞将保持在原有大质量恒星所在轨道上继续运行，除了质量小了一截，不会有太大变化，因此它依然会绕银河系中心公转。即使实际上并不可能达到这种理想状况，也就是各个方向上抛射物质的总动量并不一致，这将导致黑洞在某个方向上产生一定的加速度，但是由于黑洞自身的质量太大，而抛射物质的不均匀性是有限的，它所产生的动量不可能把剩余质量的黑洞加速到星系的逃逸速度，故此毫无疑问黑洞将继续绕星系的质量中心公转。

说完公转我们再来说自转。

前面说了黑洞是恒星坍缩而成的致密天体，而坍缩前的恒星一般都是带自转的，那么由于角动量守恒，坍缩成黑洞后也是有自转的，而且由于恒星坍缩成黑洞后，半径缩小上万倍（太阳半径大约695500km，坍缩成静态史瓦西黑洞半径只有3km不到），结果就是在角动量不变的情况下角速度将大幅增加，也就是自转速度会增加。很多科普文章里都会用芭蕾舞演员或花样溜冰运动员张开双臂自转时收起双臂自转会加速来做例子，如果看过相关视频的应该知道怎么回事，如果没看过也没关系，我们来看看公式吧。

L =Iω=mr^2ω

L是角动量，I是转动惯量，ω是角速度，m是质量，r是半径。

当坍缩恒星的剩余质量m确定后，基于角动量守恒，其角动量L也是确定的。因此公式里就产生两个变量：r（半径）和ω（角速度），根据公式可以看出，角速度与半径平方成反比，也就是半径平方越小，角速度越大，而角速度就是它的自转速度。因此在恒星坍缩过程中，随着坍缩的进行，半径会原来越小，而自转速度就会越来越大。那到底会有多大呢？我们看公式吧…..

带自转的黑洞是克尔黑洞，其半径公式是：

Rk是克尔黑洞视界半径，G是万有引力常数，M是黑洞质量，c是光速常数，J是黑洞的角动量。

当角动量J无穷小时，它跟史瓦西半径公式是一样一样的。

不过随着角动量增加，两者的区别会越来越明显。