宇宙“怪獸”

今年4月10日21時(shí)是一個(gè)具有歷史意義的時(shí)刻，一個(gè)超大質(zhì)量黑洞在全球多地首次展示真容，以一張“寫(xiě)真”定格了自己的真實(shí)存在。我們有幸成為第一批“看見(jiàn)”黑洞的人類(lèi)。

黑洞是一種很奇異的天體，如同“怪獸”一般，可以吞噬臨近區(qū)域的任何物質(zhì)，即使是光，也無(wú)法逃脫它的引力束縛。它怎么這么霸道？它到底黑不黑？它是如何形成的？人類(lèi)是如何拍到它的？……關(guān)于黑洞的“十萬(wàn)個(gè)為什么”，你們應(yīng)該都很好奇吧？小編來(lái)為你們解答。

黑洞不是洞

黑洞不是洞，而是一種質(zhì)量極大的天體，像個(gè)“無(wú)底洞”，具有超強(qiáng)引力，可吞噬周?chē)臍怏w、塵埃，乃至臨近的恒星系和較小的黑洞，連光也無(wú)法逃脫。超強(qiáng)引力幫助黑洞以極其暴力的方式“跑馬圈地”，宣告自己的“勢(shì)力范圍”。

根據(jù)質(zhì)量，天文學(xué)家將黑洞分為三類(lèi)：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞、超大質(zhì)量黑洞和中等質(zhì)量黑洞。

1970年，美國(guó)“自由號(hào)”人造衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)天鵝座X-1上一個(gè)比太陽(yáng)重30多倍的巨大藍(lán)色星球被一個(gè)看不見(jiàn)的物體牽引著。這個(gè)物體被學(xué)界認(rèn)作是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞。

之后越來(lái)越多的黑洞被發(fā)現(xiàn)。2017年12月，美國(guó)卡耐基科學(xué)研究所的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了有史以來(lái)最遙遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量是太陽(yáng)的8億倍。

目前，人類(lèi)在銀河系已經(jīng)發(fā)現(xiàn)近20個(gè)恒星級(jí)質(zhì)量黑洞，而銀河系中預(yù)計(jì)共有1000萬(wàn)個(gè)黑洞。我國(guó)科學(xué)家還在堅(jiān)持不懈地努力利用我國(guó)的重大科學(xué)裝置郭守敬望遠(yuǎn)鏡去發(fā)現(xiàn)銀河系中更多的黑洞。

黑洞的“前世今生”

黑洞的形成與恒星塌陷有關(guān)。

黑洞最初其實(shí)是一顆衰老的巨大恒星，有資格成為黑洞的恒星質(zhì)量要達(dá)到太陽(yáng)的數(shù)十倍。恒星發(fā)光發(fā)熱靠的是內(nèi)部的核聚變，但恒星中心的“燃料”畢竟有限，也會(huì)耗盡，當(dāng)恒星內(nèi)部能量不足，無(wú)法支撐外殼的重量時(shí)，在外殼重壓之下，恒星內(nèi)核開(kāi)始塌縮。最終，所有物質(zhì)縮成一個(gè)體積無(wú)限小而密度超大的點(diǎn)，這便是奇點(diǎn)。

奇點(diǎn)質(zhì)量極大，而體積極小，會(huì)形成強(qiáng)大引力場(chǎng)，看起來(lái)像一個(gè)黑色的“勢(shì)力范圍”，吸收周?chē)镔|(zhì)，就連光也會(huì)被吸進(jìn)去，這個(gè)“勢(shì)力范圍”被稱作黑洞的半徑或事件視界。至此，黑洞已經(jīng)誕生。剛誕生的“嬰兒黑洞”如饑似渴，將體積較小的恒星的氣體撕扯到自己身邊，然后吞噬掉。

黑洞存在的證據(jù)

人類(lèi)在看到黑洞真容前，怎么知道黑洞是真實(shí)存在的呢？科學(xué)家們通過(guò)多個(gè)間接的證據(jù)來(lái)證明黑洞的存在，其中包括三類(lèi)代表性證據(jù)。

一、恒星、氣體的運(yùn)動(dòng)透露了黑洞的蹤跡。黑洞有超強(qiáng)引力，對(duì)周?chē)暮阈?、氣體會(huì)產(chǎn)生影響，科學(xué)家可以通過(guò)觀測(cè)這種影響來(lái)確認(rèn)黑洞的存在，比如觀察噴流。當(dāng)黑洞吸積氣體較多時(shí)，一部分氣體沿著磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，高速噴射強(qiáng)能量物質(zhì)，這就是噴流。

二、黑洞在吸積物質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)出一定的光，科學(xué)家據(jù)此來(lái)判斷黑洞的存在。在黑洞強(qiáng)引力的作用下，周?chē)臍怏w會(huì)向黑洞下落，在距離黑洞幾百事件視界至幾萬(wàn)倍事件視界的地方形成發(fā)光的環(huán)狀圓盤(pán)——吸積盤(pán)。如果某種天體相對(duì)于普通星系來(lái)說(shuō)小得多，但每秒鐘能釋放出巨大的能量，而且發(fā)光，那科學(xué)家推斷它很可能是黑洞。

三、通過(guò)一定的設(shè)備“看到”黑洞成長(zhǎng)的過(guò)程，從而推導(dǎo)黑洞的存在。激光干涉引力波天文臺(tái)探測(cè)的引力波都對(duì)應(yīng)了恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的并合事件，見(jiàn)證了更小的黑洞借助并合成長(zhǎng)為更大黑洞的過(guò)程。這類(lèi)引力波的發(fā)現(xiàn)，是我們推斷黑洞存在的證據(jù)之一。

1978年，盧米涅給出了黑洞事件視界的第一幅圖像。這不是一張真正的照片，而是他利用數(shù)學(xué)知識(shí)和相關(guān)技術(shù)以及20世紀(jì)60年代的一臺(tái)IBM 7040穿孔卡片計(jì)算機(jī)對(duì)黑洞景象進(jìn)行的電腦模擬。

利用電腦模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，盧米涅用鋼筆和印度墨水在底片上描繪黑洞，整個(gè)過(guò)程就像在打印。這幅模糊的圖像展示了觀察者靠得足夠近時(shí)看到的一個(gè)扁平盤(pán)內(nèi)物質(zhì)墜入黑洞的景象。

這些證據(jù)都是間接的，而證實(shí)黑洞存在最有說(shuō)服力的莫過(guò)于直接視覺(jué)證據(jù)，那就是黑洞的第一張照片。

人類(lèi)拍下的這張照片主角是位于室女座一個(gè)超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞，它距離地球5500萬(wàn)光年。照片中，黑色圓影的中央“隱藏”著黑洞的真身，圓影外側(cè)新月形的光環(huán)是黑洞周?chē)鷼怏w發(fā)出的光。所以，準(zhǔn)確地說(shuō)，首張黑洞“寫(xiě)真”是黑洞的輪廓。

拍黑洞非易事

黑洞不發(fā)光，人類(lèi)想要拍到它并不是一件易事。給黑洞拍照，科學(xué)家們遇到了黑洞陰影“小”、觀測(cè)波段技術(shù)要求極高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜三座難以逾越的“大山”。面對(duì)這些難點(diǎn)，他們發(fā)揮超強(qiáng)智慧，想到了不少應(yīng)對(duì)的妙招。

首先，為了解決黑洞陰影“小”的問(wèn)題，科學(xué)家們需要在眾多黑洞中找到最適合拍照的那一個(gè)，同時(shí)還要提高望遠(yuǎn)鏡的實(shí)力——口徑超乎想象、靈敏度足夠高。

從地球上看，黑洞陰影和周?chē)h(huán)繞的新月般光環(huán)是非常小的，在拍照設(shè)備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞照片，科學(xué)家必須找到一個(gè)看起來(lái)角直徑足夠大的黑洞作為拍攝對(duì)象。

黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比，黑洞質(zhì)量越大，其事件視界越大，結(jié)合距離因素，鄰近地球的超大質(zhì)量黑洞是黑洞成像候選體。位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*和星系M87中心的黑洞便是兩個(gè)好“模特”。

自伽利略發(fā)明望遠(yuǎn)鏡以來(lái)，科技水平的飛速發(fā)展使得望遠(yuǎn)鏡的口徑越來(lái)越大、“分工”越來(lái)越細(xì)，但要給黑洞拍照，依靠現(xiàn)有任何單個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。于是，科學(xué)家將分布全球的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成一個(gè)虛擬望遠(yuǎn)鏡陣列，這相當(dāng)于一臺(tái)口徑為地球直徑的超級(jí)望遠(yuǎn)鏡。

由于靈敏度要求高，拍攝對(duì)天氣條件要求也苛刻，8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡分布在降雨量極少、晴天概率大的高海拔地區(qū)，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內(nèi)華達(dá)山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極點(diǎn)等。這些望遠(yuǎn)鏡的分辨率相當(dāng)于能在黑龍江漠河閱讀南沙群島上的一張報(bào)紙。

其次，黑洞周?chē)鷼怏w在1毫米附近的輻射強(qiáng)度最大，而且最關(guān)鍵的是，在黑洞附近1毫米有個(gè)比較干凈的觀測(cè)窗口，被同步自吸收的作用會(huì)大大減弱，黑洞周?chē)鷼怏w的輻射也會(huì)變得透明，所以還要實(shí)現(xiàn)高技術(shù)觀測(cè)波段。為了保證射電望遠(yuǎn)鏡的天線在觀測(cè)波段內(nèi)正常觀測(cè)，科學(xué)家們突破了天線技術(shù)上的一個(gè)門(mén)檻，大大提高了加工精度。

此外，“洗”照片也不易。人們需要對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡記錄的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的后期處理和分析，才能獲得最終的黑洞圖像。即使現(xiàn)在人類(lèi)的運(yùn)算能力非常強(qiáng)大，也還是需要近兩年時(shí)間才能把黑洞的照片“沖洗”出來(lái)。

雖然黑洞的第一張照片沒(méi)有人們想象的那么清晰，但這是人類(lèi)拍攝黑洞走出的第一步。今后，人類(lèi)將拍出細(xì)節(jié)更豐富、角度更多樣的黑洞照片，走進(jìn)黑洞的世界，開(kāi)展系統(tǒng)的“黑洞普查”，揭開(kāi)黑洞更多的秘密。

有些黑洞很“挑食”

一些黑洞是貪婪的吸食者，吸入大量氣體和灰塵等，而一些黑洞則很“挑食”。

位于銀河系中央的人馬座A*似乎就很挑食，盡管其質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍，但它的吸積盤(pán)卻出人意料地暗淡，由氣體、彌散物質(zhì)等組成，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看去就像一個(gè)扁平的盤(pán)子。

M87星系中的黑洞則是一個(gè)貪婪的“食客”，其質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的65億倍。它不僅擁有非常明亮的吸積盤(pán)，還噴射出明亮、快速的帶電亞原子粒子流，這一粒子流延伸約5000光年。

同樣是超大質(zhì)量黑洞，為什么“貪吃”的程度差別如此巨大？

科學(xué)家說(shuō)原因是不同星系核心的環(huán)境不一樣。有的星系中心由于受到諸如星系碰撞過(guò)程等的擾動(dòng)，氣體沉積到中心黑洞附近，為黑洞提供了豐富的食物，所以黑洞可以大快朵頤;而有的星系中心區(qū)域比較平穩(wěn)，只有少量氣體能夠到達(dá)黑洞附近，使得黑洞不得不淺斟慢酌。

吃多了也會(huì)“吐”

告訴你哦，黑洞吃多了也會(huì)“吐”。

2017年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在離地球2000多萬(wàn)光年的地方，一個(gè)星系中央的超大質(zhì)量黑洞 “消化不良”，打著“飽嗝”向星際空間噴出了一大堆物質(zhì)。這個(gè)星系為NGC 5195，它有一個(gè)同伴NGC 5194，兩者由引力束縛在一起。它們附近有兩個(gè)X射線弧，據(jù)稱這是NGC 5195星系中央的黑洞“打嗝”形成的。

由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組根據(jù)英國(guó)e-MERLIN射電望遠(yuǎn)鏡陣列拍到的高清圖像，結(jié)合美國(guó)的哈勃望遠(yuǎn)鏡、錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)和甚大陣列射電望遠(yuǎn)鏡等的觀測(cè)結(jié)果，研究了黑洞“打嗝”噴發(fā)物質(zhì)的細(xì)節(jié)。

包括銀河系在內(nèi)，幾乎所有星系中央都有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，吸引吞噬周邊物質(zhì)。NGC 5195中央的黑洞質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量的1900萬(wàn)倍，這一星系跌入渦狀星系懷抱，與后者的外旋臂融合，導(dǎo)致大量物質(zhì)向NGC 5195的中央黑洞跌落。

這些物質(zhì)高速旋轉(zhuǎn)落入黑洞，在黑洞周?chē)纬晌e盤(pán)。填鴨式的“喂食”使吸積盤(pán)大到一定程度，這時(shí)黑洞無(wú)法繼續(xù)有效吞噬物質(zhì)，導(dǎo)致“消化不良”，吸積盤(pán)破裂。此時(shí)，強(qiáng)烈沖擊波產(chǎn)生，將物質(zhì)推向星際空間，其中電子以接近光速傳播，與星際空間的氣體和塵埃相互作用，發(fā)出射電波。沖擊波隨即像吹泡泡一樣使氣體和塵埃加熱膨脹，發(fā)出X射線，并從氫氣上剝離電子形成離子氫，產(chǎn)生X射線弧。

黑洞只可遠(yuǎn)觀

盡管人們對(duì)黑洞的熱情高漲，但其只可遠(yuǎn)觀，否則后果很?chē)?yán)重。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果你和黑洞靠得太近，你就會(huì)就像意大利面一樣被拉長(zhǎng)，這一現(xiàn)象有個(gè)極富創(chuàng)意的名稱——“意大利面條效應(yīng)”。之所以會(huì)產(chǎn)生這種效應(yīng)，是因?yàn)槿梭w各處受到的引力不一樣。

如果你兩腳朝下飛向黑洞，由于你的腳離黑洞更近，它受到的引力比頭部受到的引力要大。糟糕的是，由于胳膊不是位于身體中心，它們被拉長(zhǎng)的方向與頭部的朝向稍有不同，你身體的邊緣部位會(huì)向內(nèi)聚集，最后的結(jié)果是，你的身體不僅被拉長(zhǎng)了，還變細(xì)了。因此，還沒(méi)等你抵達(dá)黑洞中心，你就早早地變成了一根“意大利面條”。

有關(guān)黑洞的傳言

有人說(shuō)黑洞是黑色的，有人說(shuō)黑洞會(huì)吞噬地球，有人說(shuō)黑洞很大很大。這些說(shuō)法是對(duì)的嗎？

傳言一：黑洞大到?jīng)]邊。

事實(shí)：黑洞只是很重，但體積小。

在多數(shù)人的想象中，黑洞之大超出了人類(lèi)對(duì)于大尺寸數(shù)量級(jí)的直觀認(rèn)知，但其實(shí)，黑洞只是質(zhì)量和密度超乎想象地大，而體積比較小。比如，這次人類(lèi)拍到的黑洞——超大質(zhì)量星系M87中心黑洞質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的65億倍，屬于超大質(zhì)量黑洞，但體積比較小，小到內(nèi)部幾乎沒(méi)有空隙。如果太陽(yáng)被壓縮到一個(gè)半徑非常小的空間內(nèi)，那可以改名叫“黑洞”了。

傳言二：黑洞很黑。

事實(shí)：外面黑，里面也許不黑。

斯蒂芬·霍金曾推斷黑洞并沒(méi)有想象的那么黑。

從這次拍攝的黑洞照片上看，黑洞的勢(shì)力范圍內(nèi)的確漆黑一片，但是勢(shì)力范圍中心那個(gè)質(zhì)量超大、體積超小的天體到底什么顏色，照片上看不清楚。

傳言三：黑洞會(huì)吞噬地球。

事實(shí)：地球不會(huì)被黑洞吞噬。

黑洞只會(huì)對(duì)它附近的一些天體產(chǎn)生非常強(qiáng)的破壞作用，地球距離它非常遙遠(yuǎn)，所以不會(huì)被吞噬。

我們目前發(fā)現(xiàn)的銀河系中的黑洞其實(shí)都距離地球非常遙遠(yuǎn)，距離地球最近的一個(gè)黑洞大約在地球3400光年外。

傳言四：黑洞與黑洞會(huì)發(fā)生碰撞。

事實(shí)：黑洞會(huì)與黑洞碰撞。

黑洞與黑洞的確會(huì)發(fā)生碰撞，這是一個(gè)非常壯觀的現(xiàn)象。2015年，科學(xué)家就利用引力波探測(cè)器發(fā)現(xiàn)13億光年外的兩個(gè)黑洞碰撞時(shí)所產(chǎn)生的引力波。黑洞合并不會(huì)產(chǎn)生非常壯觀的電磁波現(xiàn)象，但是會(huì)釋放大量的能量擾動(dòng)時(shí)空，產(chǎn)生引力波效應(yīng)。