【菜科解读】

　　一个超大质量黑洞的艺术家插图。

漩涡状的橙色线条环绕着中间的黑色圆圈。

黑洞是太空中最迷人的物体之一。

(图片来源:solarseven via Getty Images)

　　据美国太空网（By Daisy Do1ijevic, Nola Taylor Tillman）：黑洞是太空中一些最奇怪也最迷人的物体。

它们密度极高，引力如此之大，以至于连光都无法逃脱它们的掌控。

　　银河系可能包含超过1亿个黑洞，尽管探测这些贪吃的野兽非常困难。

银河系的中心有一个超大质量黑洞——人马座A*。

根据美国宇航局的一份声明，这个巨大的结构大约是太阳质量的400万倍，距离地球大约26，000光年。

　　2019年，视界望远镜(EHT)合作捕捉到了第一张黑洞图像。

距离地球5500万光年的M87星系中心的黑洞的惊人照片让全世界的科学家兴奋不已。

　　专家解答的黑洞常见问题

　　我们问了理论天体物理学家Priyamvada Natarajan一些关于黑洞的常见问题。

　　普里亚姆瓦达·纳塔拉詹理论天体物理学家耶鲁大学天文系主任约瑟夫. s .和索菲娅. s .弗鲁顿天文学教授和物理学教授。

　　黑洞是如何形成的？

　　黑洞预计通过两种不同的渠道形成。

根据第一种途径，它们是恒星尸体，所以它们是在大质量恒星死亡时形成的。

出生时质量大约是太阳质量的8到10倍以上的恒星，当它们耗尽所有的燃料——氢时，它们会爆炸并死亡，留下一个非常致密的物体，即黑洞。

留下的黑洞被称为恒星质量黑洞，其质量是太阳质量的几倍。

　　不是所有的恒星都会留下黑洞，出生质量较低的恒星会留下中子星或白矮星。

黑洞形成的另一种方式是气体的直接坍缩，这一过程预计会产生更多质量更大的黑洞，质量从太阳质量的1000倍到太阳质量的10万倍不等。

这个通道绕过了传统恒星的形成，被认为在宇宙早期运行，产生了更多的大质量黑洞种子。

　　谁发现了黑洞？

　　黑洞被预言为爱因斯坦方程的精确数学解。

爱因斯坦的方程式描述了物质周围的空间形状。

广义相对论将几何或形状与物质的详细分布联系起来。

　　卡尔·史瓦西在1915年发现了黑洞的解决方案，这些区域——黑洞——被发现会极大地扭曲空间，并在时空结构中产生一个穿孔。

当时还不清楚这些是否对应于宇宙中的真实物体。

随着时间的推移，随着恒星死亡的其他最终产物被探测到，也就是被视为脉冲星的中子星，黑洞是真实存在的，并且应该存在，这一点变得越来越清楚。

第一个被探测到的黑洞是天鹅座-X1。

　　黑洞会死吗？

　　黑洞本身不会死亡，但理论上预计它们最终会在极长的时间尺度内慢慢蒸发。

　　黑洞是通过附近被巨大引力吸引的物质的增长而成长的。

霍金预测，黑洞也可以辐射出能量，并非常缓慢地收缩。

量子理论表明，虚粒子无时无刻不在出现和消失。

当这种情况发生时，一个粒子和它的同伴反粒子出现了。

然而，它们也可以重组并再次消失。

当这个过程发生在黑洞视界附近时，奇怪的事情就会发生。

而不是粒子反粒子对存在一会儿，然后互相湮灭，其中一个可以通过重力进入黑洞，而另一个粒子可以飞向太空。

在很长的时间尺度上，我们谈论的时间尺度比我们宇宙的年龄长得多，理论表明这种逃逸粒子的涓涓细流将导致黑洞慢慢蒸发。

　　黑洞是虫洞吗？

　　不，黑洞不是虫洞。

虫洞可以被认为是连接时空两个分离点的隧道。

据信，黑洞的内部可能包含一个虫洞，这个洞就是时空，它可能提供一个通往时空中另一点的入口，甚至可能在一个不同的宇宙中。

　　首次发现黑洞

　　阿尔伯特·爱因斯坦在1916年用他的广义相对论首次预言了黑洞的存在。

多年以后，美国天文学家约翰·惠勒在1967年创造了“黑洞”这个术语。

几十年来黑洞只被认为是理论上的物体。

　　第一个被发现的黑洞是天鹅座X-1，位于银河系内的天鹅座。

根据美国宇航局的说法，天文学家在1964年发现了黑洞的第一个迹象，当时一枚探测火箭探测到了X射线的天体来源。

1971年，天文学家确定X射线来自一颗明亮的蓝星，它围绕着一个奇怪的黑暗物体运行。

有人认为，探测到的X射线是恒星物质被明亮的恒星剥离并被黑暗物体“吞噬”的结果，黑暗物体是一个吞噬一切的黑洞。

　　有多少黑洞？

　　一张深空影像显示，在影像中心有一个微弱的蓝色X射线源，表明人马座A*的存在。

银河系中心存在一个超大质量黑洞人马座A* (Sgr A*)。

(图片来源:NASA/UMass/D.Wang等人，IR: NASA/STScI)

　　根据太空望远镜科学研究所(STScI)的数据，每一千颗恒星中大约有一颗质量足以成为黑洞。

由于银河系包含超过1000亿个统计数据，我们的家庭星系一定隐藏着大约1亿个黑洞。

　　虽然探测黑洞是一项艰巨的任务，但美国宇航局的估计表明，银河系中可能有多达1000万到10亿个恒星黑洞。

　　距离地球最近的黑洞被称为“独角兽”，大约位于1500光年之外。

这个昵称有双重含义。

黑洞候选体不仅位于麒麟星座(“独角兽”)，其难以置信的低质量——大约是太阳的三倍——使它几乎是独一无二的。

　　黑洞图像

　　围绕黑色圆圈的橙色发光环。

事件视界望远镜是一个由八个地面射电望远镜组成的行星级阵列，通过国际合作打造，捕捉到了这张M87星系中心超大质量黑洞及其阴影的图像。

(图片鸣谢:EHT协作)

　　2019年，视界望远镜(EHT)合作发布了有史以来第一张记录黑洞的图像。

EHT在M87星系中心看到了黑洞，当时望远镜正在检查活动视界或任何东西都无法逃离黑洞的区域。

该图像描绘了光子(光粒子)的突然损失。

这也打开了黑洞研究的一个全新领域，现在天文学家知道了黑洞的样子。

　　2021年，天文学家展示了M87中心巨型黑洞的新视图，展示了这个巨大结构在偏振光下的样子。

由于偏振光波与非偏振光相比具有不同的方向和亮度，新图像显示了黑洞的更多细节。

极化是磁场的一个特征，这幅图像清楚地表明黑洞的环被磁化了。

　　橙色发光环，周围是黑色圆圈，内部有光线。

继2019年第一张黑洞图像发布后，天文学家捕捉到了黑洞的新偏振视图。

(图片鸣谢:EHT协作)

　　2022年5月，科学家们展示了银河系中心超大质量黑洞的历史首张图像——速腾A*。

　　黑洞是什么样子的？

　　黑洞有三个“层”:外部和内部事件视界，以及奇点。

　　黑洞的视界是黑洞口周围的边界，光不能越过它。

一旦一个粒子穿过视界，它就不能离开。

引力在整个视界中是不变的。

　　物体质量所在的黑洞内部区域被称为奇点，即黑洞质量集中的时空单点。

　　科学家们不能像观察眼冒金星和太空中的其他物体那样观察黑洞。

相反，天文学家必须依靠探测黑洞在尘埃和气体被吸入致密生物时发出的辐射。

但是，位于星系中心的超大质量黑洞可能会被周围厚厚的尘埃和气体所覆盖，从而阻止泄露信号的发射。

　　有时，当物质被吸向黑洞时，它会从视界反弹出去，并被抛出去，而不是被拖入黑洞。

明亮的物质喷流以接近相对论的速度行进。

虽然黑洞仍然看不见，但这些强大的喷流可以从很远的地方看到。

　　EHT的M87黑洞图像(2019年发布)是一项非凡的努力，即使在图像拍摄后也需要两年的研究。

这是因为遍布全球许多天文台的望远镜合作产生了惊人的数据量，这些数据量太大，无法通过互联网传输。

　　随着时间的推移，研究人员希望对其他黑洞进行成像，并建立一个关于这些物体外观的知识库。

下一个目标很可能是人马座A*，它是我们银河系中心的黑洞。

2019年的一项研究报告称，人马座A*非常有趣，因为它比预期的更安静，这可能是因为磁场抑制了它的活动。

那年的另一项研究表明，人马座A*周围有一个冷气体晕，这让人们对黑洞周围的环境有了前所未有的了解。

　　图示显示了黑洞的各个层次，包括吸积盘、事件视界、相对论喷流、奇点、光子球和最内部的稳定轨道。

ESO的黑洞解剖图显示了黑洞的样子，并标明了不同的组成部分。

(图片鸣谢:ESO)

　　黑洞的类型

　　到目前为止，天文学家已经确定了三种类型的黑洞:恒星黑洞、超大质量黑洞和中间黑洞。

　　恒星黑洞——虽小却致命

　　当一颗恒星燃尽最后一点燃料时，这个物体可能会坍缩，或者坠入自身。

对于较小的恒星(质量达到太阳的三倍左右)，新的核心将成为中子星或白矮星。

但是当一颗更大的恒星坍缩时，它会继续压缩并产生一个恒星黑洞。

　　由单个恒星坍塌形成的黑洞相对较小，但密度惊人。

其中一个天体的直径是太阳质量的三倍多。

这导致了一个疯狂的引力吸引着物体周围的物体。

恒星黑洞然后消耗来自周围星系的尘埃和气体，这使它们的尺寸不断增长。

　　超大质量黑洞——巨人的诞生

　　小型黑洞遍布宇宙，但它们的近亲超大质量黑洞占据主导地位。

这些巨大的黑洞的质量是太阳的数百万倍甚至数十亿倍，但直径却几乎相同。

这种黑洞被认为位于几乎每个星系的中心，包括银河系。

　　科学家不确定如此大的黑洞是如何产生的。

一旦这些巨行星形成，它们就会从周围的尘埃和气体中聚集质量，这些物质在星系的中心非常丰富，这使得它们可以增长到更大的尺寸。

　　超大质量黑洞可能是成百上千个微小黑洞合并的结果。

大型气体云也可能是原因之一，它们一起坍塌并迅速增大质量。

第三种选择是星团的崩溃，一群恒星一起坠落。

第四，超大质量黑洞可能来自大团暗物质。

这是一种我们可以通过它对其他物体的引力作用来观察的物质；

然而，我们不知道暗物质是由什么组成的，因为它不发光，无法直接观察到。

　　中间黑洞

　　科学家们曾经认为黑洞只有小和大两种尺寸，但研究揭示了中型或中间黑洞(IMBHs)存在的可能性。

当星团中的恒星以连锁反应碰撞时，就可能形成这样的天体。

在同一个区域形成的几个IMBHs最终可能会一起坠落在星系中心，形成一个超大质量黑洞。

　　2014年，天文学家在一个螺旋星系的臂中发现了一个似乎是中等质量的黑洞。

2021年，天文学家利用一次古老的伽马射线爆发探测到了一个。

　　“天文学家一直在努力寻找这些中等大小的黑洞，”该研究的合着者，英国杜伦大学的蒂姆·罗伯茨在一份声明中说。

“有迹象表明它们的存在，但IMBHs一直表现得像一个失散多年的亲戚，对被找到不感兴趣。

”

　　2018年的研究表明，这些IMBHs可能存在于矮星系(或非常小的星系)的中心。

对10个这样的星系(其中五个在最近的调查之前是未知的)的观察揭示了X射线活动——在黑洞中很常见——表明存在36，000到316，000太阳质量的黑洞。

这些信息来自斯隆数字巡天，它检查了大约100万个星系，可以检测到经常观察到的来自黑洞的光，这些黑洞正在收集附近的碎片。

　　二元黑洞:双重麻烦

　　图解显示了一个巨大的黑色圆形空洞-一个超大质量黑洞，左边有一个较小的黑色圆圈-一个伴星黑洞。

一个超大质量黑洞和一个环绕它运行的伴黑洞的艺术家插图。

(图片来源:加州理工学院IPAC分校)

　　2015年，天文学家利用激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到来自恒星黑洞合并的引力波。

　　“我们进一步证实了大于20个太阳质量的恒星质量黑洞的存在——在LIGO探测到它们之前，我们不知道这些物体的存在，”LIGO科学合作组织(LSC)的发言人舒德伟在一份声明中说。

LIGO的观察也提供了对黑洞旋转方向的洞察。

当两个黑洞互相环绕时，它们可以同向或反向旋转。

　　关于二元黑洞是如何形成的，有两种理论。

第一种说法认为，这两个黑洞在大约同一时间以双星的形式出现，它们来自两颗诞生在一起并在大约同一时间爆炸死亡的恒星。

伴星会有相同的自旋方向，所以留下的两个黑洞也会如此。

　　在第二个模型中，恒星团中的黑洞下沉到星团的中心并配对。

根据LIGO科学合作组织的说法，这些同伴相互之间会有随机的自旋方向。

LIGO对具有不同自旋取向的伴黑洞的观察为这一形成理论提供了更有力的证据。

　　“我们开始收集关于二元黑洞系统的真实数据，”加州理工学院的LIGO科学家Keita Kawabe说，他在LIGO汉福德天文台工作。

“这很有趣，因为即使是现在，一些黑洞双星形成的模型也比其他模型更受青睐，在未来，我们可以进一步缩小范围。

”

　　黑洞事实

　　1.如果你掉进一个黑洞，理论一直认为重力会像意大利面条一样把你拉长，尽管你会在到达奇点之前死亡。

但2012年发表在《自然》杂志上的一项研究表明，量子效应会导致事件视界像一堵火墙一样，会立即将你烧死。

　　2.黑洞不吸。

吸力是由把东西拉进真空引起的，而大质量黑洞肯定不是。

相反，物体会像它们向任何施加重力的物体(比如地球)坠落一样落入其中。

　　3.第一个被认为是黑洞的物体是天鹅座X-1。

天鹅座X-1是1974年斯蒂芬·霍金和他的物理学家同事基普·索恩友好打赌的主题，霍金打赌该源不是黑洞。

1990年，霍金承认失败。

　　4.微型黑洞可能在大爆炸后立即形成。

快速膨胀的空间可能已经将一些区域挤压成微小、致密的黑洞，其质量不及太阳。

　　5.如果一颗恒星离黑洞太近，它就会被撕裂。

　　6.天文学家估计，银河系有1000万到10亿个恒星黑洞，质量大约是太阳的三倍。

　　7.黑洞仍然是科幻书籍和电影的绝佳素材。

看看电影《星际穿越》吧，它在很大程度上依赖索恩将科学融入其中。

索恩与电影特效团队的合作使科学家们更好地理解了当在快速旋转的黑洞附近观察时，遥远的恒星可能会出现的情况。

时空弯折的终极秘境 黑洞藏着光线逃不出的边界

强大引力不断拉扯弯折空间，形成一道无形的事件视界，哪怕是宇宙中速度极限的光，一旦跨入这片范围，也再也没有办法向外挣脱逃离。

聊聊黑洞的形成本源，看懂时空弯曲的原理，便能明白光线被困的深层缘由。

广袤宇宙中，万事万物都会带来时空形变，质量越大的天体，对周边时空的弯折效果就越明显。

平日里地球、恒星带来的曲率变化十分微弱，我们很难直观察觉，光线穿行其间只会出现轻微偏移，依旧可以顺畅传播。

可黑洞截然不同，它由超大质量恒星晚年坍缩演化而来，星体内核急剧向内收拢，体积不断压缩，质量却高度汇聚，让周遭时空被剧烈拉扯扭曲。

极度密集的质量，催生出恐怖的时空曲率，空间不再保持平直状态，如同一张被重物狠狠按压凹陷的弹性薄膜，越靠近中心位置，弯折程度就越发夸张。

这种肉眼看不见的空间形变，正是黑洞一切奇特现象的根源，也构筑起专属它的宇宙规则。

事件视界便是时空弯折形成的临界分界线，没有实体轮廓，却划分出两种截然不同的物理世界。

界线外侧的时空曲率相对平缓，宇宙常规法则正常生效，光线、星际物质可以自由穿行，天体也能按照既定轨迹运转，光线能够毫无阻碍地向四面八方传播扩散。

一旦跨过事件视界，时空曲率瞬间飙升至极值，空间结构彻底扭曲塌陷。

此刻所有运动规律都会被改写，光线即便以最快速度行进，也只能顺着弯折的空间不断坠向黑洞核心，完全找不到向外逃逸的路径。

光无法逃离视界范围，也让黑洞拥有了漆黑无光的外表。

本身不会向外辐射反射光线，外界光线落入其中也尽数被束缚吞噬，没有光能抵达观测者视野，所以人类无法直接目视黑洞本体，只能依靠引力效应、光线偏折等间接痕迹判断它的存在。

时空曲率带来的束缚力，不止困住光芒，也禁锢住所有物质与信息。

任何行星、星云碎片、宇宙尘埃，不慎闯入事件视界之后，都会顺着扭曲的空间持续下坠，最终汇聚到中心奇点。

外界永远无法获取视界内部的状态变化，这里成了宇宙天然的封闭秘境。

对比普通天体就能清晰看出差距，行星、恒星的时空弯曲程度有限，物体只要达到对应逃逸速度，就能脱离引力影响。

黑洞曲率突破临界阈值，直接锁住光速运动的光线，成为宇宙中独一无二的时空牢笼。

人类依靠天文观测不断探索黑洞奥秘，从捕捉引力波，到拍摄黑洞实景影像，一步步印证时空曲率的相关理论。

这份极致弯折造就的特殊天体，不断颠覆着人们对时空的固有认知，也指引着人类持续探寻宇宙更深层次的奥秘。

吞噬一切的宇宙深渊，黑洞引力藏着光速禁区

它拥有世间顶尖的引力束缚力，独特的视界边界划分出截然不同的时空领域，只要踏入视界范围之内，就连每秒三十万公里的光速，都没办法挣脱引力拉扯向外逃离。

今天就用闲聊述说的口吻，聊聊黑洞引力的奇特特性，讲讲视界的划分意义，理清为何光速都无法从黑洞内部脱身，一同揭开这片宇宙禁区的神秘面纱。

宇宙天体的引力强弱，一直和自身质量、密度牢牢挂钩。

普通恒星、行星的引力，只能束缚周边卫星与星际物质，物体只要达到对应速度，就能摆脱引力飞向深空。

而黑洞诞生于大质量天体的末期演化，巨型恒星燃料耗尽后，再也无法支撑自身庞大躯体，核心在自身重压下急剧向内坍缩，体积被无限压缩，密度飙升到难以想象的地步。

极致致密的结构，催生出碾压所有常规天体的超强引力，这也让黑洞拥有了独一无二的宇宙统治力。

从黑洞形成的那一刻开始，它就注定成为宇宙里特殊的存在，和我们熟知的星体运转规律彻底区分开来。

围绕黑洞存在一层无形的边界，这便是人们常说的事件视界。

它没有实体外壳，肉眼无法直接看见，却是一道无法逾越的分界线。

视界之外的宇宙空间，依旧遵循常规物理规则，光线、星体、宇宙尘埃都能自由穿梭，天体也可以依靠运动速度远离黑洞影响范围。

一旦物质、光线跨越这条无形界线，彻底进入视界内部，一切都会发生颠覆性改变。

黑洞恐怖的引力会牢牢锁定内部所有存在，再也没有力量能够带着物质脱离这片区域。

衡量天体引力束缚能力，有一个关键参照标准就是逃逸速度，也就是物体摆脱天体引力束缚，飞向宇宙远方需要具备的最低速度。

地球有着自身对应的逃逸速度，火箭突破临界数值便能冲出大气层奔向太空，太阳系里的各大行星、恒星，都有着各自固定的逃逸速度门槛。

黑洞打破了常规天体的速度极限，视界内部的逃逸速度直接超越光速。

光速是目前人类认知里宇宙最快运动速度，连光线本身都没办法积攒足够速度冲破引力牢笼，其他星体、星际物质自然更没有脱身的可能。

光线坠入黑洞视界后，无法向外反射、传播，我们没办法捕捉到黑洞自身散发的光亮，这也是黑洞漆黑一片、难以直接观测的根本原因。

任何闯入视界之内的物质，不管是庞大的恒星残骸，还是细碎的气体尘埃，都会被强大引力不断拉扯撕扯，最终向着黑洞中心奇点不断坠落，彻底消融在这片深渊之中。

超强引力不止禁锢视界内部的一切，也会剧烈扭曲周边时空。

靠近黑洞的星体运行轨迹会被强行弯折，光线途经周边空间也会发生明显偏转。

不少遥远天体发出的光芒，在奔赴地球的途中靠近黑洞区域，都会被引力改变行进路线，这也给天文观测带来了奇妙的视觉效果。

科研人员依靠光线弯折、天体异常运动等间接痕迹，一步步推算黑洞位置，测算它的质量与引力强度。

时至今日，人类依旧没办法近距离抵达黑洞视界实地探查，视界内部的时空结构、物质形态，还留存着大量未解谜题。

光速无法逃逸的特性，让黑洞成为宇宙天然的隔绝领域，里面的一切变化都无法向外传递信息。

黑洞凭借极致强大的引力，划定出超越光速束缚的视界禁区，成为宇宙中最神秘的深渊天体。

这份打破常规物理认知的特质，不断吸引着人类探索研究，随着天文观测技术持续进步，未来我们也会慢慢解锁更多黑洞隐藏的宇宙奥秘。