黑洞是宇宙中一些最極端的天體：在一個(gè)很小的空間中只有一個(gè)地方有如此多的能量，以至于形成了一個(gè)視界事件。當(dāng)它們形成時(shí)，原子、原子核，甚至基本粒子本身，在我們的三維空間中被粉碎成任意小體積的奇點(diǎn)。同時(shí)，所有從視界墜落的東西都只會增加黑洞的引力。這對暗物質(zhì)意味著什么？

暗物質(zhì)如何與黑洞相互作用？它會像正常物質(zhì)一樣被吸進(jìn)奇點(diǎn)，導(dǎo)致黑洞的質(zhì)量增加嗎？如果是這樣，當(dāng)黑洞通過霍金輻射蒸發(fā)時(shí)，會發(fā)生什么？

要回答這些問題，我們必須從這開始：黑洞到底是什么。

第一次從美國宇航局肯尼迪角航天中心發(fā)射的是阿波羅4號火箭

（上圖補(bǔ)充說明：盡管阿波羅4號火箭的加速速度不比跑車快，但它成功的關(guān)鍵在于它的加速持續(xù)了這么長時(shí)間，使有效載荷能夠逃離地球大氣層進(jìn)入軌道。最終，多級火箭將使人類完全擺脫地球的引力。土星五號火箭后來把人類帶到了月球上。）

在地球上，如果你想把東西送入太空，你需要克服地球的引力。我們通常認(rèn)為這是平衡兩種形式的能量：地球自身在其表面提供的重力勢能，與你必須增加有效載荷以克服地球引力的動(dòng)能相比。

如果你平衡了這些能量，你就可以獲得你的逃逸速度：一個(gè)物體永久地逃離天體引力束縛的最小速度，具備這個(gè)速度后，才能最終達(dá)到與地球任意遠(yuǎn)的距離。因?yàn)榈厍蛴幸粋€(gè)厚厚的大氣層，阻礙逃逸運(yùn)動(dòng)，這就要求我們用更多的能量才能獲得逃逸速度，逃逸速度是一個(gè)有用的物理概念。

逃逸地球速度模擬圖

（上圖說明：如果地球沒有大氣層，那么以特定速度發(fā)射炮彈就足以確定它是否掉回地球（A，B），是否停留在環(huán)繞地球的穩(wěn)定軌道上（C，D），還是逃離地球的引力（E）。對于所有非黑洞的物體，這五個(gè)軌跡都是可能的。對于黑洞的物體，像C、D和E這樣的軌跡在事件視界內(nèi)是不可能的）

對于我們的星球，逃逸速度大約是11.2公里/秒，我們在地球上發(fā)射的火箭實(shí)際上可以達(dá)到這個(gè)速度。自20世紀(jì)60年代以來，多級火箭一直在地球引力范圍之外發(fā)射宇宙飛船，自20世紀(jì)70年代以來，甚至在太陽引力范圍之外發(fā)射宇宙飛船。這是可能的，因?yàn)槲覀兊厍蜍壍赖奈恢秒x太陽表面有很遙遠(yuǎn)。

如果我們在太陽表面，我們需要達(dá)到的脫離太陽引力的速度——逃逸速度——會大得多：大約是地球引力的55倍，或者617.5公里/秒。當(dāng)我們的太陽死亡時(shí)，但只有地球的物理大小。在這種情況下，它的逃逸速度約為4.570公里/s，或光速的1.5%左右。

天狼星A和B，一個(gè)正常的（類似太陽的）恒星和一個(gè)白矮星

將太陽與太陽成為白矮星后的遠(yuǎn)近命運(yùn)進(jìn)行比較，能從中學(xué)到很多東西。隨著越來越多的質(zhì)量被集中到一小區(qū)域的空間，逃離這個(gè)物體所需的速度就會上升。如果允許質(zhì)量密度上升，或者通過壓縮成更小的體積或向相同的體積增加更多質(zhì)量，您的逃逸速度將越來越接近光速。

這是關(guān)鍵限制。一旦你在物體表面的逃逸速度達(dá)到或超過光速，它不只是光不能出來，它是強(qiáng)制性的（在廣義相對論中），物體內(nèi)的所有內(nèi)容都不可避免地坍塌到或落入中心奇點(diǎn)。原因很簡單：空間本身朝中心區(qū)域坍塌的速度比光速快。你的速度限制小于你腳下的空間移動(dòng)的速度，因此，沒有逃生的希望。

黑洞奇點(diǎn)引力動(dòng)態(tài)模擬

（上圖說明：無論是在活動(dòng)視界內(nèi)還是在活動(dòng)視界外，空間都像一條移動(dòng)的走道或瀑布一樣流動(dòng)，這取決于你想如何可視化它。在活動(dòng)視界，即使你以光速奔跑（或游泳），也不會有克服時(shí)空流動(dòng)的方法，因?yàn)闀r(shí)空流動(dòng)會把你拉入中心的奇點(diǎn)。然而，在事件視界之外，其他力（如電磁）常?？梢钥朔Φ臓恳?，甚至令墜落物質(zhì)逃逸。）

所以，如果你在遠(yuǎn)離中心奇點(diǎn)的任何一點(diǎn)上，你試圖抓住一個(gè)更遙遠(yuǎn)的物體來抵抗引力坍縮，你就不能做到；坍縮是不可避免的。超過這個(gè)極限的最常見方法很簡單：從一顆質(zhì)量比太陽質(zhì)量大約20-40倍的恒星開始。

像所有真正的恒星一樣，白矮星通過燃燒核心區(qū)域的核燃料來維持生命。當(dāng)燃料耗盡時(shí)，中心會在自身重力作用下發(fā)生內(nèi)爆，造成災(zāi)難性的超新星爆炸。外層被推出，但是中心區(qū)域足夠大，坍塌成一個(gè)黑洞。這些“恒星質(zhì)量”黑洞的范圍大約在8到40個(gè)太陽質(zhì)量之間，隨著時(shí)間的推移，它們將不斷增長，因?yàn)樗鼈兺淌扇魏胃以诟浇半U(xiǎn)的物質(zhì)或能量。即使你在穿越視界時(shí)以光速移動(dòng)，你也逃不脫黑洞的魔爪。

一顆巨大的恒星在其整個(gè)生命中，最終形成了一個(gè)II型超新星

事實(shí)上，一旦你越過事件視界，你將不可避免地遇到中心奇點(diǎn)。從外部觀察者的角度來看，一旦你穿過視界的邊界，你所做的就是增加黑洞的質(zhì)量、能量、電荷和角動(dòng)量。

從黑洞的外部，我們無法獲得它的初始組成信息。由質(zhì)子和電子、中子、暗物質(zhì)甚至反物質(zhì)組成的（中性）黑洞看起來都是一樣的。事實(shí)上，我們只能從外部位置觀察到黑洞的三個(gè)性質(zhì)：

• 它的質(zhì)量，
• 它的電荷，
• 以及它的角動(dòng)量（或固有的旋轉(zhuǎn)自旋）。

黑洞事件視界外的嚴(yán)重彎曲時(shí)空的插圖

（上圖補(bǔ)充說明：當(dāng)你越來越靠近黑洞質(zhì)量的位置時(shí)，空間會變得更加嚴(yán)重彎曲，最終導(dǎo)致一個(gè)即使光也無法逃離的位置：事件視界。這個(gè)位置的半徑是由黑洞的質(zhì)量、電荷和角動(dòng)量、光速和廣義相對論定律單獨(dú)決定的。）

暗物質(zhì)，盡管我們還知道它是什么，但我們知道它有質(zhì)量，而不是電荷。它給黑洞增加的角動(dòng)量，完全取決于初始下降軌跡。如果你對其他的量子數(shù)感興趣——例如，因?yàn)槟阍谒伎己诙葱畔Ｕ摗銜脨赖匕l(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)沒有這些量子數(shù)。

暗物質(zhì)不具有色電荷、重子數(shù)、輕子數(shù)、輕子族數(shù)等，由于黑洞是由超大質(zhì)量恒星（即正常的重子物質(zhì)）的死亡形成的，新形成的黑洞的初始成分100%的正常物質(zhì)和0%的暗物質(zhì)。盡管沒有明確的方法來判斷黑洞是由什么構(gòu)成的，但我們親眼目睹了一個(gè)黑洞從祖恒星直接形成；沒有暗物質(zhì)涉及。

大質(zhì)量恒星不見了

（上圖說明：哈勃的可見/近紅外照片顯示了一顆質(zhì)量約為太陽質(zhì)量25倍的大質(zhì)量恒星，它已經(jīng)消失，沒有超新星或其他解釋。直接坍縮是唯一合理的解釋，也是已知的一種方法，除了超新星或中子星合并之外，首次形成黑洞。）

有一個(gè)很好的理由相信，暗物質(zhì)在黑洞的初始形成過程中不起作用，但會隨著時(shí)間的推移在黑洞的成長過程中起作用：從它的作用和不相互作用的方式來看。

記住，暗物質(zhì)只在引力上相互作用，不像正常物質(zhì)，后者通過引力、弱力、電磁力和強(qiáng)力相互作用。是的，在大星系和星系團(tuán)中，暗物質(zhì)的總量可能是正常物質(zhì)的五倍，但這是整個(gè)巨大光環(huán)的總和。在一個(gè)典型的星系中，暗物質(zhì)暈從四面八方延伸了一百萬光年或更長時(shí)間。相比之下，正常物質(zhì)集中在一個(gè)僅占暗物質(zhì)體積0.01%的圓盤中。

（上圖說明：如模擬預(yù)測的那樣，密度不同的暗物質(zhì)光環(huán)和非常大的漫反射結(jié)構(gòu)，星系的發(fā)光部分按比例顯示。由于暗物質(zhì)無處不在，它應(yīng)該影響它周圍的一切的運(yùn)動(dòng)。典型暗物質(zhì)光暈所占據(jù)的體積大約是正常物質(zhì)所占體積的10，000倍。）

黑洞往往形成在星系的內(nèi)部區(qū)域，在那里，正常物質(zhì)占主導(dǎo)地位。只考慮我們所在的空間區(qū)域：太陽周圍。如果我們在太陽系周圍畫一個(gè)半徑為100（AU）天文單位的球體（其中一個(gè)天文單位是地球與太陽的距離），我們將把所有的行星、衛(wèi)星、小行星和幾乎所有的柯伊伯帶都圍起來。

不過，從數(shù)量上講，這個(gè)球體內(nèi)的重子質(zhì)量——正常物質(zhì)——將由我們的太陽主宰，重約2×10的30次方千克。（其他一切加起來，只增加了0.2%。）另一方面，同一個(gè)球體中暗物質(zhì)的總量？只有約1×10的19次方千克，也就是同一區(qū)域正常物質(zhì)質(zhì)量的0.000000.5%。所有的暗物質(zhì)加起來和像朱諾（Juno）這樣的普通小行星的質(zhì)量差不多。

在太陽系中，根據(jù)一級近似，太陽決定行星的軌道

（上圖補(bǔ)充說明：對于第二種近似，所有其他質(zhì)量（如行星、衛(wèi)星、小行星等）起著很大的作用。但要加上暗物質(zhì)，太陽100個(gè)天文單位范圍內(nèi)所有暗物質(zhì)的整體貢獻(xiàn)與小行星帶第11大小行星朱諾的質(zhì)量幾乎相同。）

隨著時(shí)間的推移，暗物質(zhì)和正常物質(zhì)都會與這個(gè)黑洞碰撞，被吸收并增加其質(zhì)量。絕大多數(shù)的黑洞質(zhì)量增長將來自正常物質(zhì)而非暗物質(zhì)，盡管在未來的10的22次方年左右的某個(gè)時(shí)刻，黑洞的衰變率最終將超過黑洞的增長率。

霍金輻射過程導(dǎo)致粒子和光子從黑洞視界外發(fā)射，從而保存了黑洞內(nèi)部的所有能量、電荷和角動(dòng)量。也許黑洞表面上編碼的信息也以某種方式編碼在輻射中：這就是黑洞信息悖論的本質(zhì)。

在黑洞表面編碼的信息位，與事件視界的表面面積成正比

（上圖補(bǔ)充注釋：當(dāng)黑洞衰變時(shí)，它衰敗為熱輻射狀態(tài)。這些信息是否存活下來，是否被編碼在輻射中，如果是的話，如何，不是我們目前的理論可以提供的答案。）

這個(gè)過程可能需要10的67次方到10的100次方年的時(shí)間，這取決于黑洞的質(zhì)量。但結(jié)果僅僅是熱輻射，黑體輻射。

這意味著一些暗物質(zhì)將從黑洞中出來，但這完全獨(dú)立于大量的暗物質(zhì)是否首先進(jìn)入了黑洞。所有的黑洞都有記憶，一旦物質(zhì)掉進(jìn)去，是一組小的量子數(shù)，進(jìn)入黑洞的暗物質(zhì)的數(shù)量不在其中。出來的東西，至少在粒子含量方面，不會和你放進(jìn)去的一樣！

黑洞的事件視界是一個(gè)球形或球形區(qū)域，沒有任何東西，甚至光，可以逃離

如果你計(jì)算，你會發(fā)現(xiàn)黑洞將同時(shí)將正常物質(zhì)和暗物質(zhì)作為“食物”來源，但正常物質(zhì)將支配黑洞的生長速度，即使在漫長的宇宙時(shí)間尺度上也是如此。當(dāng)宇宙比今天老10億倍以上時(shí)，黑洞的質(zhì)量仍占正常物質(zhì)的99%以上，而暗物質(zhì)的不到1%。

暗物質(zhì)不是黑洞的“良好食物”來源，黑洞從吞噬暗物質(zhì)中獲得的收益甚微。只有質(zhì)量和能量才最合黑洞的胃口，就像您從e=mc2中得到的一樣。黑洞和暗物質(zhì)確實(shí)相互作用，但它們的影響是如此之小，以至于即使完全忽略暗物質(zhì)，仍然能給你一個(gè)關(guān)于黑洞的偉大過去、現(xiàn)在和未來描述。