宇宙中的“洞”

陳若穎

誰(shuí)發(fā)現(xiàn)的“黑洞”？

我們知道，牛頓通過(guò)對(duì)生活現(xiàn)象的歸納和推理，于1687年在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中首次發(fā)表了著名的萬(wàn)有引力定律。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，萬(wàn)有引力定律，就是任意兩個(gè)物體之間都存在一個(gè)相互吸引的力，這個(gè)力被稱為“引力”。但這個(gè)力有大有小，比如太陽(yáng)和地球之間的引力，就恰好能讓地球在現(xiàn)在這個(gè)軌道上穩(wěn)定地運(yùn)行、享受太陽(yáng)的光和熱、孕育我們已知的所有生命。但如果太陽(yáng)的引力不斷增大，地球就會(huì)被“吸”得越來(lái)越靠近太陽(yáng)，直到被吸入太陽(yáng)內(nèi)部。也就是說(shuō)，如果其他條件不變，一個(gè)物體的引力越大，就能使物體越靠近自己。那么，我們又是靠什么來(lái)確定引力大小的呢？這就要提到著名的萬(wàn)有引力定律：

公式中，F(xiàn)表示引力，M和m分別表示兩個(gè)物體的質(zhì)量，r表示兩個(gè)物體間的距離。G是萬(wàn)有引力常數(shù)，它的數(shù)值等于6.67×10^-11N·m²/kg²，最早是由一位名叫卡文迪許的英國(guó)科學(xué)家用一桿扭秤測(cè)量出來(lái)的。這個(gè)公式說(shuō)明，引力和這兩個(gè)物體的質(zhì)量還有它們之間的距離有關(guān)。無(wú)論是增加太陽(yáng)的質(zhì)量，或者是減小太陽(yáng)和地球之間的距離，都能讓太陽(yáng)對(duì)地球的引力增大。

看著這個(gè)公式，有人就突發(fā)奇想，如果宇宙中出現(xiàn)一個(gè)質(zhì)量特別大的天體，其引力能夠大到連宇宙中質(zhì)量最輕的物質(zhì)——光都沒(méi)辦法逃脫，只能繞著它旋轉(zhuǎn)，那么會(huì)發(fā)生什么呢？據(jù)記載，歷史上第一個(gè)想到這個(gè)問(wèn)題的人是英國(guó)的科學(xué)家約翰·米歇爾。米歇爾在1783年寫給他的友人卡文迪許的一封信中提出了這樣的想法：“如果有一個(gè)和太陽(yáng)一樣重的天體，其半徑只有3千米，那么它的引力就能大到讓光無(wú)法逃離它的表面，這樣這個(gè)天體對(duì)我們來(lái)說(shuō)就是看不見(jiàn)的，因?yàn)樗l(fā)出的光永遠(yuǎn)都無(wú)法到達(dá)我們的眼睛。”到了1796年，法國(guó)物理學(xué)家拉普拉斯也做出這樣的預(yù)言：“一個(gè)質(zhì)量比太陽(yáng)大250倍的恒星，如果其直徑只有地球那么大，那么它自身的引力會(huì)使任何光線都無(wú)法離開(kāi)它。由于這個(gè)原因，我們是看不到宇宙中最大的發(fā)光天體的。”一個(gè)物體逃離恒星表面所需要的最小速度被稱為這顆恒星的表面逃逸速度，因?yàn)楣馐怯钪嬷羞\(yùn)動(dòng)速度最快也是最輕的物質(zhì)，所以如果從一顆恒星逃逸的速度需要大于光速，那就意味著根本沒(méi)有任何物體能夠從這顆恒星的內(nèi)部逃離出去。米歇爾和拉普拉斯這兩位科學(xué)家都利用萬(wàn)有引力定律粗略地算出了引力極大、表面逃逸速度大于光速的天體所需的質(zhì)量和半徑比例。到了1915年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了著名的相對(duì)論，其中做出了許多預(yù)言。相對(duì)論在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有得到科學(xué)界的廣泛認(rèn)可，甚至還有些人寫了聯(lián)名書來(lái)反對(duì)這個(gè)“奇怪”的理論，但這些預(yù)言卻在后來(lái)的一百年內(nèi)，一個(gè)接一個(gè)地得到了驗(yàn)證。在相對(duì)論發(fā)表一個(gè)月后，德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西計(jì)算了愛(ài)因斯坦的“場(chǎng)方程”，得到了一個(gè)精確的解，這個(gè)精確解能夠?qū)苄〉奈矬w的引力場(chǎng)進(jìn)行分析，并算出了一個(gè)很小的“引力半徑”。如果一個(gè)天體的全部質(zhì)量都被壓縮到這個(gè)引力半徑之內(nèi)，那么所有的物質(zhì)和能量都會(huì)被引力囚禁在半徑內(nèi)，從外面看，這個(gè)天體就是絕對(duì)的黑暗，也就是黑洞。這個(gè)引力半徑又被稱為史瓦西半徑。也就是說(shuō)，無(wú)論是你、我，還是手邊的這本書，世界上的任何東西都有可能變成黑洞，只要我們有辦法將它縮小到一個(gè)非常小的尺度里，比如要是我們有能力把地球縮小到一?；ㄉ状笮?，那么我們的地球就可能變成黑洞。雖然一直到1968年“黑洞”（Black Hole）這個(gè)詞才被美國(guó)天體物理學(xué)家約翰·惠勒提出來(lái)，但這個(gè)概念早在三百年前就已經(jīng)被幾位科學(xué)家想到了。

黑洞是什么？

那么黑洞到底是什么？為什么它能夠讓光線都無(wú)法逃離？它到底長(zhǎng)什么樣呢？首先，我們要明確一件事情，黑洞之所以叫黑洞，只是因?yàn)樗l(fā)出的光無(wú)法到達(dá)我們的眼睛，我們沒(méi)有辦法用眼睛直接“看”到它，所以它看起來(lái)是黑的，才有了“黑洞”這個(gè)名字。但黑洞本身并不是黑色的，它的內(nèi)部甚至還有可能十分明亮，而且黑洞并不是“一出生”就是這個(gè)樣子的，它也是經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的演化才成為今天這個(gè)吞噬一切的模樣。

黑洞在最開(kāi)始的時(shí)候，只是一個(gè)像太陽(yáng)一樣的恒星，它也會(huì)發(fā)光發(fā)熱，只不過(guò)比太陽(yáng)要重很多。我們知道，恒星會(huì)發(fā)光和發(fā)熱都是因?yàn)樗膬?nèi)部在進(jìn)行劇烈的核聚變反應(yīng)——從氫聚變成氦，氦聚變成碳，碳聚變成氧……當(dāng)聚變反應(yīng)進(jìn)行到鐵的時(shí)候，就從放熱反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼰岱磻?yīng)，而且由于鐵原子的特殊結(jié)構(gòu)，無(wú)論恒星提供多少熱量都無(wú)法使鐵原子繼續(xù)聚變下去。所以恒星的生命若不是因?yàn)樗娜剂虾谋M無(wú)法進(jìn)行更高級(jí)的核聚變而死亡，就是因?yàn)榫圩兊借F原子無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行核聚變而終結(jié)?？茖W(xué)家推測(cè)，隨著燃料耗盡，太陽(yáng)的生命將會(huì)在50億年后終結(jié)。到時(shí)候太陽(yáng)會(huì)在一次爆炸中變成紅巨星，地球甚至有可能在爆炸中受到波及，人類可能被來(lái)自太陽(yáng)的熾熱氣體“熱死”。而太陽(yáng)的內(nèi)核將會(huì)因?yàn)闊o(wú)法抵抗強(qiáng)大的引力而坍縮成一顆與地球大小相當(dāng)?shù)闹旅艿陌装?，最后在漫長(zhǎng)的時(shí)光中冷卻成一顆不發(fā)光也不發(fā)熱的黑矮星。與太陽(yáng)不同，能成為黑洞的恒星，其質(zhì)量至少是太陽(yáng)的8倍，擁有極強(qiáng)的引力，這類恒星會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生了鐵原子而無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行更高級(jí)的核聚變最終走向死亡。它們的生命將會(huì)終結(jié)于一次劇烈的超新星爆炸，在爆炸時(shí)拋射出外殼的大部分氣體會(huì)形成巨大的星云，而它的內(nèi)核會(huì)在極端的高溫高壓下劇烈向內(nèi)坍縮。目前科學(xué)界普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)是，在高溫高壓下，內(nèi)核所有的物質(zhì)都會(huì)被壓縮到中心一個(gè)極小的點(diǎn)上，我們稱它為“奇（qí）點(diǎn)”。奇點(diǎn)的體積無(wú)限小，質(zhì)量和密度無(wú)限大，目前我們知道的所有物理定律都不適用于它。但是奇點(diǎn)是否存在，奇點(diǎn)還有什么其他的性質(zhì)，科學(xué)家們至今還未找到一個(gè)能夠被普遍認(rèn)同的答案。

不過(guò)，科學(xué)家認(rèn)為光線之所以無(wú)法逃脫黑洞的束縛就是與奇點(diǎn)有關(guān)?？茖W(xué)家把黑洞想象成了一個(gè)四維空間，光就被鎖在這個(gè)空間內(nèi)。具體來(lái)說(shuō)，我們是生活在三維空間里的，身邊的物體都具有長(zhǎng)、寬、高這三個(gè)維度。而二維空間就是一個(gè)平面，只有長(zhǎng)和寬，沒(méi)有高，就像一張紙。一維空間則是一條線，只有“長(zhǎng)”這一個(gè)維度。四維空間其實(shí)就是在三維空間長(zhǎng)、寬、高的基礎(chǔ)上又增加了一個(gè)“時(shí)間”維度。想象不出來(lái)四維空間是什么樣的沒(méi)關(guān)系，我們只需要了解在四維空間中，三維空間就像一張名為“時(shí)空”的紙，就像我們?cè)谌S空間看二維空間一樣，三維空間中的所有物體在四維空間里也都在那張“紙”上。我們往紙上放東西，紙會(huì)向下凹陷，而三維空間中的天體，也會(huì)使四維空間里那張名為時(shí)空的“紙”向下凹陷，而且越重的天體凹得越深?？茖W(xué)家把這個(gè)向下凹的程度稱為“時(shí)空曲率”，也就是時(shí)空彎曲的程度，時(shí)空曲率越大表示時(shí)空彎曲程度越大，天體的重量也越大。奇點(diǎn)就是一個(gè)時(shí)空曲率無(wú)限大的點(diǎn)。

時(shí)空曲率大會(huì)讓本來(lái)理應(yīng)沿著直線前進(jìn)的光線，因?yàn)闀r(shí)空的彎曲而走起了曲線，于是光就偏折了。就像在瓶子里面的螞蟻一樣，螞蟻以為自己走的是直線，但其實(shí)一直在瓶子里面繞圈打轉(zhuǎn)。那么在一定條件下，大的時(shí)空曲率就不僅僅只是讓光線偏折，它能直接讓光線走的路“折成一個(gè)圓”，如此一來(lái)光線就永遠(yuǎn)也逃不出這個(gè)時(shí)空了。光逃不出去，自然也到達(dá)不了我們的眼睛，所以黑洞對(duì)我們來(lái)說(shuō)就是無(wú)法觀測(cè)到的黑暗。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，由于奇點(diǎn)將時(shí)空彎曲，彎曲形成的空洞即為黑洞。

黑洞是什么樣子的？

1973年，霍金和卡特爾等人證明了“黑洞無(wú)毛定理”，就是說(shuō)，無(wú)論是什么樣的黑洞，最終都可以只用三個(gè)物理量來(lái)描述它?？茖W(xué)家們形象地把這三個(gè)物理量比喻成黑洞頭上僅有的三根頭發(fā)，于是這個(gè)理論就被稱為“黑洞無(wú)毛定理”。我們知道，太陽(yáng)擁有質(zhì)量、體積、溫度等好幾種可以用來(lái)描述它的物理量，但黑洞只能由質(zhì)量、電荷數(shù)和角動(dòng)量（簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是黑洞自轉(zhuǎn)的速度）來(lái)確定它的性質(zhì)。任何黑洞，我們只要知道這三個(gè)關(guān)于它的物理量，就能知道它的一切。我們從之前的描述可以知道，黑洞并不黑，也不是空間中的一個(gè)大洞。要描述黑洞的模樣，我們首先要知道一個(gè)概念——事件視界。前面我們說(shuō)到，時(shí)空彎曲到一定程度就能讓光線圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)，而恰好繞著黑洞旋轉(zhuǎn)不至于逃離的那束光線的旋轉(zhuǎn)半徑所構(gòu)成的一個(gè)球形邊界，就叫事件視界。事件視界是黑洞最外層的邊界，事件視界之內(nèi)就是黑洞的內(nèi)部，而且事件視界并不是一成不變的，它會(huì)隨著黑洞質(zhì)量的增大而變大。需要注意的是，事件視界并不是一個(gè)真實(shí)存在的球形邊界，而是人們想象出來(lái)的，你并不能真正觸摸到這個(gè)邊界。而且在事件視界之外的人是沒(méi)有辦法利用任何物理方法得到事件視界之內(nèi)的任何信息，也沒(méi)有辦法受到事件視界之內(nèi)發(fā)生的事情的影響。

那如果你想從外面進(jìn)入黑洞看一看，你會(huì)看到什么呢？幸運(yùn)的是，你不會(huì)立刻進(jìn)入事件視界，而是會(huì)先進(jìn)入光子層。光子層是位于事件視界之外的一塊不穩(wěn)定的區(qū)域，大約是事件視界的1.5倍大。在這個(gè)區(qū)域，光可能不會(huì)被拉進(jìn)黑洞中，但是黑洞強(qiáng)大的引力也能讓部分光繞著黑洞旋轉(zhuǎn)。在這里，如果你稍作停留并四處觀察，理論上你甚至有可能看到自己的后腦勺兒，因?yàn)樵谶@里光能夠繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，那么從你后腦勺兒發(fā)出的光，能夠繞著黑洞旋轉(zhuǎn)一圈然后到達(dá)你的眼睛而被你看到。接下來(lái)，你就要到達(dá)事件視界了，一旦到了這里，你就再也沒(méi)有回頭路可走了?？茖W(xué)家形象地利用“意大利面”來(lái)比喻掉進(jìn)事件視界里的人，因?yàn)樵诘暨M(jìn)黑洞的過(guò)程中，人的頭和腳所受到的引力是不一樣的，接近黑洞的那一端受到的引力會(huì)更大一些，并且越靠近黑洞，這個(gè)引力差就越大。因?yàn)橐Σ?，人的身體會(huì)被無(wú)限拉長(zhǎng)，就像一根意大利面一樣，直到整個(gè)人被撕裂。又因?yàn)樵谑录暯缰獾娜藷o(wú)法看到事件視界之內(nèi)的任何信息，所以對(duì)于事件視界之外的人來(lái)說(shuō)，正在掉進(jìn)黑洞的你將永遠(yuǎn)處于“正在掉進(jìn)黑洞”的過(guò)程中，觀察者只能看到你進(jìn)入黑洞的速度越來(lái)越慢，但永遠(yuǎn)看不到你掉進(jìn)黑洞的那一瞬間。因?yàn)槭录暯缰獾墓怆m然可以逃出黑洞，但是越靠近黑洞的光線受到的引力越強(qiáng)，逃出的速度也就越慢。所以當(dāng)你越靠近黑洞時(shí)，身上發(fā)出的光到達(dá)觀察者的眼睛的速度就越慢。

1974年，因宇宙大爆炸和黑洞研究而聞名于世的英國(guó)著名理論物理學(xué)家斯蒂芬-霍金和他的好友索恩就“黑洞是否存在”立下了一個(gè)賭約。當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了銀河系內(nèi)位于天鵝座的一個(gè)雙星系統(tǒng)，因?yàn)檫@個(gè)雙星系統(tǒng)是在地球上所能觀測(cè)到的極強(qiáng)的x射線源之一，所以被稱為天鵝座X-1。天文學(xué)家懷疑天鵝座X-1中的一個(gè)天體有可能是黑洞，于是霍金和索恩就打了個(gè)賭，霍金認(rèn)為天鵝座X-1不是黑洞，如果霍金贏了，索恩就給他訂四年的雜志，反之，霍金就要給索恩訂一年的雜志。有人可能會(huì)問(wèn)，為什么霍金一個(gè)研究黑洞的人卻要和索恩打賭黑洞不存在呢？其實(shí)霍金的小算盤打得可精明了，他想著萬(wàn)一打賭輸了，那他多年的學(xué)術(shù)研究就有了意義;如果贏了，他還能獲得四年的雜志聊以慰藉。最終霍金輸了，但他開(kāi)心地給索恩訂了一年的雜志。

黑洞有多少種？

我們?cè)谇拔恼f(shuō)到，黑洞只有三個(gè)物理特征：質(zhì)量、帶電量和角動(dòng)量，那么按照這三個(gè)特征，我們就可以對(duì)黑洞進(jìn)行分類。首先按照質(zhì)量大小，黑洞可以被分為量子黑洞（微型黑洞）、恒星型黑洞、中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞四種類型，它們按照質(zhì)量大小逐漸遞增。而按照帶電量和角動(dòng)量的不同，我們又可以將黑洞分為帶電量和角動(dòng)量都為0的史瓦西黑洞、僅帶電量為0的克爾黑洞（或旋轉(zhuǎn)黑洞）、角動(dòng)量為0的帶電黑洞、帶電量和角動(dòng)量都不為0的旋轉(zhuǎn)帶電黑洞。其中，史瓦西黑洞是一個(gè)靜止的、完全對(duì)稱的、理想狀態(tài)下的黑洞，是研究黑洞最簡(jiǎn)單也最常用的模型。

黑洞在哪里？

那么宇宙中哪里可能會(huì)有黑洞呢？星系中央還是超新星遺跡的中心？類星體中央還是吸積盤中心？這些不過(guò)是較大質(zhì)量黑洞可能存在的幾個(gè)地方，而實(shí)際上，宇宙中任何一個(gè)地方都有可能存在黑洞，只不過(guò)大小有別而已。我們普通認(rèn)知上的黑洞應(yīng)該都是一個(gè)龐然大物，掌握著整個(gè)星系的生死。然而，黑洞其實(shí)并沒(méi)有質(zhì)量下限，原則上一粒塵埃都有可能成為一個(gè)黑洞，并且因?yàn)楦子谛纬?，理論上小質(zhì)量黑洞應(yīng)該比大質(zhì)量黑洞的數(shù)量多得多。那么既然宇宙中隨處都可能存在黑洞，為什么我們至今沒(méi)有遇上一個(gè)黑洞呢？在大家的印象中，黑洞應(yīng)該是一個(gè)“饕餮（tao tiè）”天體，所有的物質(zhì)都只進(jìn)不出。然而，霍金在1974年提出的一個(gè)理論卻揭示了黑洞的另一面?；艚鸢l(fā)現(xiàn)，黑洞并不是只一味地“吞噬”物質(zhì)，它的一部分質(zhì)量會(huì)以熱輻射的形式向外蒸發(fā)，這種黑洞輻射后來(lái)被稱為霍金輻射?；艚疠椛湔f(shuō)明了黑洞也會(huì)損失質(zhì)量，那么當(dāng)損失的質(zhì)量大于它所吸收的質(zhì)量時(shí)，黑洞就會(huì)縮小。按比例來(lái)說(shuō)，小質(zhì)量黑洞的蒸發(fā)量會(huì)比大質(zhì)量黑洞要大得多，這就造成了小質(zhì)量黑洞的壽命會(huì)比大質(zhì)量黑洞要短。所以并不是因?yàn)槲覀兏浇鼪](méi)有黑洞，而是更尋常的小質(zhì)量黑洞在我們觀測(cè)到它們的存在之前就已經(jīng)消亡了。

如何探測(cè)黑洞？

既然我們無(wú)法直接通過(guò)光來(lái)觀察黑洞，那么科學(xué)家們是怎么確定黑洞存在的呢？第一種也是最簡(jiǎn)單的方法就是通過(guò)其他繞著黑洞旋轉(zhuǎn)的恒星來(lái)確定。比如一個(gè)雙星系統(tǒng)，我們只看到一顆恒星莫名其妙地繞著一個(gè)看起來(lái)“虛無(wú)”的地方旋轉(zhuǎn)，那么我們就可以猜測(cè)那個(gè)“虛無(wú)”的地方可能存在著一個(gè)黑洞。比如我們能夠觀測(cè)到靠近銀河系中心的一些恒星，都繞著中心一個(gè)看不見(jiàn)的東西在旋轉(zhuǎn)，并且轉(zhuǎn)得非常快。科學(xué)家通過(guò)計(jì)算這些恒星的速度和質(zhì)量，判斷出銀河系中心很可能存在著一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。第二種方法，我們還可以通過(guò)吸積盤來(lái)判斷。如果有一顆恒星和黑洞靠得太近，黑洞的引力就會(huì)把它撕碎，被撕碎的物質(zhì)會(huì)因引力而逐漸被吸入黑洞中。在這個(gè)過(guò)程中，就會(huì)形成一個(gè)物質(zhì)盤，我們稱之為吸積盤。第三種方法是利用引力透鏡現(xiàn)象來(lái)推測(cè)黑洞的信息。我們知道，黑洞能夠讓光線偏折。比如我們?cè)陔娪啊缎请H穿越》中看到的那個(gè)黑洞，為什么看起來(lái)它的周圍會(huì)有兩個(gè)對(duì)稱的半圓環(huán)呢？實(shí)際上，黑洞只是平行于我們視線的能夠讓我們看到它身后的天體。

那么如果在黑洞后面恰好有一個(gè)星系呢？由于黑洞的引力透鏡現(xiàn)象，那個(gè)星系發(fā)出的本來(lái)將會(huì)被黑洞遮擋的光，卻被偏折進(jìn)入我們的眼中。但這時(shí)我們看到的星系已經(jīng)不是一個(gè)完整的星系了，而是一個(gè)圍繞著黑洞邊緣的光圈。科學(xué)家們就是通過(guò)分析看到的光圈得到那個(gè)星系的信息，從而推測(cè)出黑洞的信息。當(dāng)然，除了這三種方法之外，還有霍金輻射、引力波等方法可以用來(lái)探測(cè)黑洞。

黑洞“首秀”

科學(xué)家們?cè)?jīng)設(shè)想過(guò)用超大型天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)黑洞進(jìn)行觀測(cè)，據(jù)推算這臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡的口徑要與地球半徑相當(dāng)，但這顯然很難實(shí)現(xiàn)。2012年，一個(gè)聯(lián)合世界各地射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)星系中心超大質(zhì)量黑洞的計(jì)劃——事件視界望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃（Event Horizon Telescope，簡(jiǎn)稱EHT）讓人們看到了希望?？茖W(xué)家將位于美國(guó)、墨西哥、智利、法國(guó)、格陵蘭島和南極的射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來(lái)，組成觀測(cè)陣列，同時(shí)對(duì)同一目標(biāo)源進(jìn)行觀測(cè)和數(shù)據(jù)記錄，再根據(jù)海量的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)各種誤差分析、背景前景扣除、算法改進(jìn)等數(shù)據(jù)重建方法，最終得到黑洞的“真容”。2019年4月10日，世界首張黑洞照片發(fā)布，這次觀測(cè)的目標(biāo)是銀河系中心的人馬座A*和室女座星云的M87中心，它們都是各自星系中心的超大質(zhì)量黑洞。

你可能會(huì)問(wèn)，全天存在黑洞的地點(diǎn)這么多，科學(xué)家為何選擇了人馬座A*以及室女座M87中心進(jìn)行觀測(cè)拍攝呢？我們要知道，人馬座A*其實(shí)就是我們銀河系中心的黑洞，它是距離我們最近、視面積最大，也是最便于我們觀測(cè)的黑洞。但此次發(fā)布的黑洞照片卻沒(méi)有人馬座A*，應(yīng)該是因?yàn)殂y河系中心的氣體塵埃干擾太多，科學(xué)家們還沒(méi)有很好地處理完這些干擾。而室女座M87有一個(gè)巨大的標(biāo)志性的噴流，這預(yù)示著其中心必定有黑洞存在，同時(shí)也會(huì)是距離我們較近且較大的黑洞之一。不僅如此，M87還是一個(gè)巨大的、年老的橢圓星系，它內(nèi)部的氣體基本都被消耗光了，這也利于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

說(shuō)到這里，我們究竟能從黑洞照片中獲得哪些信息呢？首先，當(dāng)然是驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的正確性，得到了黑洞真實(shí)存在的證據(jù)。其次，驗(yàn)證了黑洞陰影的存在。我們前面說(shuō)到黑洞能夠讓光線彎曲，那么直著朝向黑洞視界前進(jìn)的光線就會(huì)直接被黑洞吸收，而稍微靠外一些的光線則會(huì)被黑洞的引力彎曲，在圍著黑洞轉(zhuǎn)好幾圈之后慢慢靠近視界，最終被黑洞吸收?？茖W(xué)家經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到能夠不被吸收的光線大約需要距離黑洞約5倍史瓦西半徑左右，這個(gè)半徑之內(nèi)由于沒(méi)有光線能夠逃離，被形象地稱為“黑洞陰影”。此次拍攝到的黑洞照片，中間那個(gè)黑色的圓就是黑洞的陰影，且拍攝的照片顯示其大小確實(shí)是5倍史瓦西半徑左右，這也說(shuō)明了現(xiàn)在黑洞模型的正確性。最后，得到了黑洞吸積盤的詳細(xì)信息。大家看黑洞照片中橙色那圈吸積盤有一半明顯亮于另外一半，這是因?yàn)楣獾亩嗥绽招?yīng)。光繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，會(huì)有一邊背離我們運(yùn)動(dòng)，而另一邊則朝向我們運(yùn)動(dòng)，光的波長(zhǎng)由此會(huì)發(fā)生變化，所以在我們看來(lái)吸積盤就會(huì)有一半明顯亮于另一半。

白洞和蟲(chóng)洞

有了黑洞這樣一個(gè)能夠把物質(zhì)全部吸進(jìn)去的天體，是不是也可能有一種天體能夠把物質(zhì)全部吐出來(lái)呢？沒(méi)錯(cuò)，真的有！愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的場(chǎng)方程能夠得到兩個(gè)解，其中一個(gè)解是黑洞，另一個(gè)解就是一種和黑洞完全相反的天體，科學(xué)家們形象地稱其為“白洞”。白洞是宇宙中的另一種特殊天體，可以向外界噴射物質(zhì)和能量，而且不吸收外界的任何物質(zhì)和輻射。但是白洞到現(xiàn)在還處于理論模型階段，沒(méi)有被探測(cè)到過(guò)。

說(shuō)完了黑洞和白洞，我們?cè)賮?lái)聊聊與它們有關(guān)的另一個(gè)猜想——蟲(chóng)洞。我們知道，黑洞里面可能有一個(gè)神奇的點(diǎn)，叫奇點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)上一切的物理定律都會(huì)失效。從提出猜想到現(xiàn)在，關(guān)于奇點(diǎn)人們提出了很多奇思妙想，其中最吸引人的當(dāng)數(shù)時(shí)空穿行了。人們覺(jué)得，既然奇點(diǎn)處的時(shí)空曲率無(wú)限大，那是否有可能利用奇點(diǎn)來(lái)穿梭時(shí)空呢？于是，蟲(chóng)洞這個(gè)概念就被提出來(lái)了。

蟲(chóng)洞，是宇宙中可以連接兩個(gè)不同位置的時(shí)空的狹窄隧道，最早是由奧地利物理學(xué)家路德維?！じＨR姆于1916年提出來(lái)的。1930年，愛(ài)因斯坦和納森·羅森在研究場(chǎng)方程時(shí)做了一個(gè)假設(shè)，他們假設(shè)黑洞和白洞之間可以通過(guò)蟲(chóng)洞來(lái)連接，通過(guò)蟲(chóng)洞還可以進(jìn)行瞬間的時(shí)空轉(zhuǎn)移，因此蟲(chóng)洞又被稱作愛(ài)因斯坦一羅森橋。那么，蟲(chóng)洞是怎樣通過(guò)兩個(gè)特殊天體來(lái)進(jìn)行時(shí)空轉(zhuǎn)移的呢？假設(shè)我們所在的時(shí)空是一張紙，如果我們要從這張紙的一端走向另一端，就只能老老實(shí)實(shí)在紙上走。但是如果我們轉(zhuǎn)換一下思路，把紙對(duì)折一下，這兩個(gè)點(diǎn)是不是就重合了？那么我們就可以很快地從一端走向另一端了！我們?cè)谇懊嬲f(shuō)過(guò)，三維空間在四維空間中看起來(lái)就像一張紙，那么我們只需把這張紙對(duì)折一下，就可以實(shí)現(xiàn)在三維空間中的時(shí)空轉(zhuǎn)移，這個(gè)連接紙上兩個(gè)端點(diǎn)的隧道就是蟲(chóng)洞了。不過(guò)，科學(xué)家認(rèn)為蟲(chóng)洞是無(wú)處不在且轉(zhuǎn)瞬即逝的，它很難和黑洞區(qū)分開(kāi)，所以科學(xué)家們至今也沒(méi)有真正發(fā)現(xiàn)過(guò)蟲(chóng)洞。

在浩瀚的宇宙中，像黑洞這樣神奇而美妙的天體還有很多，人類也在不斷暢想著如白洞、蟲(chóng)洞這樣的“未知天體”。宇宙就在不斷的暢想和探索中，在人類的“視界”里變得熱鬧豐富起來(lái)。不過(guò)，即便如此，宇宙對(duì)于我們來(lái)說(shuō)仍然是無(wú)限的，無(wú)限大，也無(wú)限豐富。親愛(ài)的朋友，在繁忙的課業(yè)之外，抬起頭來(lái)仰望一下星空吧，那里有無(wú)限的奧秘正等著你去發(fā)現(xiàn)！