白話黑洞

近幾年，黑洞這個(gè)名詞頻頻出現(xiàn)在各種媒體上，但是，關(guān)于黑洞的介紹往往都涉及許多專業(yè)術(shù)語(yǔ)，讓人看了似懂非懂，一頭霧水。本文嘗試用通俗易懂的大白話，說(shuō)一說(shuō)黑洞的前世今生。黑洞是啥？

要問(wèn)黑洞是啥？簡(jiǎn)單通俗地回答：黑洞是宇宙中的一種天體。

黑洞離我們很遙遠(yuǎn)，它又天生具有隱身能力，所以誰(shuí)也沒(méi)見(jiàn)過(guò)它的真面目。但是，有幾位了不起的科學(xué)家，硬是通過(guò)想像推理，運(yùn)用數(shù)學(xué)推論，準(zhǔn)確地預(yù)言了黑洞的存在。

最早預(yù)言黑洞的是英國(guó)的自然哲學(xué)家約翰·米歇爾，他認(rèn)為一個(gè)天體只要是質(zhì)量足夠大，那么光是無(wú)法逃脫的。他說(shuō)的不就是黑洞嗎？

1915年，愛(ài)因斯坦通過(guò)廣義相對(duì)論預(yù)言了黑洞的存在。

1916年，德國(guó)物理學(xué)家卡爾·史瓦西根據(jù)廣義相對(duì)論建立了描述黑洞的數(shù)學(xué)公式，并且進(jìn)一步指出，如果有一種

天體質(zhì)量無(wú)限大、空間無(wú)限小，就具有非常大的引力場(chǎng)，以至于任何物質(zhì)都無(wú)法逃脫，甚至連光粒子都不例外。

有一個(gè)人認(rèn)為他的理論很荒謬，就開(kāi)玩笑地說(shuō)：“你說(shuō)的是個(gè)黑洞吧！”后來(lái)，黑洞這個(gè)詞就真的成了這種天體的正式命名。

黑洞是怎么形成的？

要問(wèn)黑洞是怎么形成的？直接了當(dāng)?shù)幕卮鹗牵汉诙词浅筚|(zhì)量恒星坍縮后形成的。

一個(gè)超大質(zhì)量的恒星到達(dá)一定年限，開(kāi)始加速膨脹了，當(dāng)它把自身的能量耗盡后，核心在自身作用下迅速收縮、塌陷，簡(jiǎn)稱坍縮。這種坍縮持續(xù)進(jìn)行下去，最后形成密度極高、質(zhì)量極大的物質(zhì)。密度高、質(zhì)量大，于是就具有極大的引力，使得任何靠近它的物質(zhì)都會(huì)被吸進(jìn)去，包括光。這就是黑洞的形成過(guò)程。

舉個(gè)大家比較熟悉的例子，劉慈欣 的科幻作品《流浪地球》描寫的就是太陽(yáng)從膨脹到坍縮的過(guò)程。如果把太陽(yáng)比作人類，它也有一個(gè)從幼年到青年，再到壯年，然后到老年，這樣一個(gè)過(guò)程。當(dāng)太陽(yáng)進(jìn)入老年時(shí)，體積開(kāi)始膨脹，就變成紅巨星;膨脹到頂點(diǎn)后開(kāi)始坍縮，變成白矮星;最后坍縮的過(guò)程結(jié)束，成為黑矮星。太陽(yáng)為什么沒(méi)有變成黑洞呢？那是因?yàn)樗€不夠級(jí)，也就是說(shuō)，太陽(yáng)的個(gè)頭不夠大，質(zhì)量不夠大。據(jù)科學(xué)家推算，至少要超過(guò)8個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星才有可能變成黑洞。看，黑洞是一種很牛的天體。

黑洞長(zhǎng)得什么樣？

由于黑洞不發(fā)光，難以直接觀測(cè)到它的樣子，科學(xué)家只能通過(guò)各種間接的方式探測(cè)黑洞。他們主要是根據(jù)黑洞的巨大引力對(duì)周圍天體產(chǎn)生的影響，來(lái)確定黑洞的存在，另外是觀察黑洞的吸積盤來(lái)分析黑洞。所謂吸積盤，就是在被黑洞吞吃前，在黑洞邊緣沉積，并且圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)。

人們是不可能觀測(cè)到物質(zhì)被吸入黑洞的過(guò)程的，只能看到黑洞邊沿的吸積盤。吸積盤就是黑洞外圍物質(zhì)高速運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的高能輻射。第一張黑洞照片

2019年4月10日，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目代表向全世界公布了人類史上首張黑洞照片。這個(gè)代號(hào)M87星系中的黑洞距我們地球5500萬(wàn)光年，這是一個(gè)讓人難以想像的遙遠(yuǎn)的距離。一般的天文望遠(yuǎn)鏡是根本看不到的，就是大名鼎鼎的哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率也得再提高1000倍才能達(dá)到要求。但是腦洞大開(kāi)的天文學(xué)家們想出了一個(gè)好辦法，他們動(dòng)用了分布在全球的8個(gè)天文臺(tái)的射電望遠(yuǎn)鏡，組成了一個(gè)虛擬的、口徑接近地球直徑的望遠(yuǎn)鏡。這座望遠(yuǎn)鏡陣列，稱為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”。什么是事件視界望遠(yuǎn)鏡？

想知道什么是事件視界望遠(yuǎn)鏡，先得弄清楚什么是事件視界。簡(jiǎn)單明晰的回答：一個(gè)事件剛好能觀察到的那個(gè)時(shí)空界面為事件視界。掰開(kāi)了說(shuō)，就是黑洞里的事件人們是觀察不到的，黑洞外面的事件人們是可以觀察到的?？捎^察到的事件與不可觀察到的事件之間的邊界，就是事件視界。事件視界望遠(yuǎn)鏡當(dāng)然就是用來(lái)觀察事件視界的望遠(yuǎn)鏡了。

這張具有歷史意義的照片，拍的是橢圓星系M87中心的超大質(zhì)量黑洞。這個(gè)黑洞質(zhì)量高達(dá)太陽(yáng)的65億倍。黑洞吞噬一切，包括光線，怎么給它拍照呢？辦法是有的，我們拍不到黑洞里面的物質(zhì)，但是可以拍黑洞的視界以及黑洞視界外圍的吸積盤。吸積盤圍繞著黑洞高速旋轉(zhuǎn)，這些物質(zhì)相互摩擦發(fā)出熾熱的光、電波和射線。這些都是可以捕捉到的。所以說(shuō)，這張照片拍攝到的不是黑洞本身，而是利用黑洞邊界上的物質(zhì)發(fā)射出的輻射波勾勒出來(lái)的黑洞輪廓。

事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目是一個(gè)大規(guī)模的國(guó)際合作科研項(xiàng)目。它是由位于智利、西班牙、美國(guó)、墨西哥、格陵蘭島、南極和夏威夷等地天文臺(tái)的8個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡構(gòu)建成一個(gè)口徑等同于地球直徑的望遠(yuǎn)鏡，用這個(gè)望遠(yuǎn)鏡陣列同時(shí)、同相位地觀測(cè)黑洞，給黑洞拍照。同時(shí)是保證拍攝時(shí)間絕對(duì)一致，同相位是指接收到的頻率信號(hào)一致。

全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的200多位科研人員共同合作，經(jīng)過(guò)多年的努力，終于成功拍攝出第一張黑洞照片。以前的黑洞圖片都是通過(guò)想像、推測(cè)設(shè)計(jì)出來(lái)的，這次事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目發(fā)布的第一張黑洞照片是人類第一次捕捉到的黑洞的真實(shí)影像。這張照片揭開(kāi)了黑洞的面紗，讓我們看到了它的真面目。這張照片證明黑洞的真實(shí)存在，驗(yàn)證了100多年前愛(ài)因斯坦關(guān)于黑洞的預(yù)言是正確的，使人類對(duì)黑洞的研究向前邁進(jìn)了一大步，也為全球合作進(jìn)行重大科研項(xiàng)目提供了又一成功的范例。接下來(lái)，科學(xué)

家將會(huì)拍攝更多的黑洞照片，對(duì)黑洞進(jìn)行更深入的研究。

黑洞的預(yù)言被證實(shí)了，人類探索宇宙奧秘的腳步不會(huì)停止，有人預(yù)言宇宙中還有白洞。白洞是與黑洞相反的宇宙天體，它也具有強(qiáng)大的引力場(chǎng)，任何物質(zhì)都無(wú)法進(jìn)去，包括光。科學(xué)家進(jìn)一步設(shè)想當(dāng)黑洞和白洞連接起來(lái)是否會(huì)形成蟲洞，所謂蟲洞就是時(shí)間隧道。

宇宙太博大了，科學(xué)太有趣了，科學(xué)探索是永無(wú)止境的。