淺談黑洞那些事兒

◇ 北京 楊艷霞 劉亞英

1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論．該理論預(yù)言了黑洞的存在，并開啟了人類對黑洞的不斷探索．就在剛剛過去的2019年里,科學(xué)家公布了首張黑洞照片,發(fā)現(xiàn)了目前為止具有最大質(zhì)量的恒星級黑洞和最小質(zhì)量的黑洞．我們知道,黑洞是一種引力極大的天體,會吞噬其周圍的任何物質(zhì),甚至連速度最快的光子都無法逃離．那么黑洞是如何形成的呢?黑洞完全不發(fā)射和反射光,我們又該如何觀測它呢?黑洞距離地球如此之遠(yuǎn),其質(zhì)量又是如何計(jì)算出來的呢?下面我們來談?wù)勥@種神秘天體．

1 黑洞的形成

圖1 黑洞示意圖

恒星級黑洞在最初的時(shí)候其實(shí)是一顆衰老的巨大恒星,而且只有那些質(zhì)量達(dá)到數(shù)十倍太陽質(zhì)量以上的恒星在衰老死亡時(shí)才有可能發(fā)生引力坍縮并成為黑洞．恒星發(fā)光發(fā)熱靠的是其內(nèi)部的核聚變,當(dāng)聚變反應(yīng)耗盡其內(nèi)部“燃料”時(shí),所產(chǎn)生的能量無法抵抗自身物質(zhì)向內(nèi)的引力,便會發(fā)生坍縮．最終,所有的物質(zhì)縮成一個(gè)體積無窮小、密度無窮大的點(diǎn),我們稱其為奇點(diǎn)．在奇點(diǎn)處時(shí)空出現(xiàn)奇異性,所以很多時(shí)候我們也將該點(diǎn)排除到時(shí)空之外．光在遠(yuǎn)離黑洞的位置,可以自由穿梭,照亮它所經(jīng)過的地方,并且可以傳到無窮遠(yuǎn)處,使得我們可以看到這些地方．然而,當(dāng)光靠近黑洞時(shí),受到的引力越來越大,時(shí)空的極度彎曲讓光線偏折從而無法到達(dá)無窮遠(yuǎn),只能掉進(jìn)奇點(diǎn)．因此,奇點(diǎn)周圍會有一塊黑暗的區(qū)域,該區(qū)域的邊界叫作“事件視界”,如圖1．事件視界就像一堵無形的墻,把時(shí)空分成了黑洞內(nèi)和黑洞外兩部分,每個(gè)黑洞都可以看成一個(gè)獨(dú)立的世界,在這個(gè)世界里,時(shí)空高度扭曲,物質(zhì)只進(jìn)不出．

2 黑洞的“真容”

圖2 首張黑洞照片

黑洞的引力如此之大，以至于連光都無法逃脫,那么我們該如何獲得有關(guān)黑洞的信息呢? 為了得到黑洞的照片,包括我國科學(xué)家在內(nèi)的200多位科學(xué)家,通過甚長基線干涉技術(shù)(VLBI),把分布在全球不同地區(qū)的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來,模擬出口徑和地球直徑相當(dāng)?shù)耐h(yuǎn)鏡——事件視界望遠(yuǎn)鏡,對目標(biāo)天體進(jìn)行觀察．該望遠(yuǎn)鏡于2017年拍攝了首張黑洞照片,并通過后期的數(shù)據(jù)處理和分析,在2019年4月發(fā)布了人類首張黑洞照片,如圖2．這個(gè)黑洞處于一個(gè)代號為M87的星系中心,質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的65億倍,距離地球大約5 500萬光年,因此照片上是它5000多萬年以前的樣子．從照片容易看出該黑洞的核心區(qū)域有一個(gè)陰影,周圍有一個(gè)明亮的新月狀光環(huán)結(jié)構(gòu)．愛因斯坦曾在其廣義相對論中預(yù)言黑洞有一個(gè)“影子”,其半徑大約比黑洞視界半徑大2倍．此次觀測到的黑洞陰影和愛因斯坦的預(yù)言基本一致,這不僅證明了愛因斯坦預(yù)言的正確性,也為將來揭開與黑洞相關(guān)的諸多謎題奠定了基礎(chǔ)．

3 黑洞的質(zhì)量

據(jù)理論推算,銀河系中質(zhì)量為恒星量級的黑洞就有上千萬個(gè)．天文學(xué)家根據(jù)質(zhì)量的不同將宇宙中的黑洞分成恒星級質(zhì)量黑洞、中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞三類．恒星級黑洞是大質(zhì)量恒星死亡時(shí)形成的,在宇宙中比較常見．理論上來說,由恒星形成的黑洞,其質(zhì)量不能小于3倍太陽質(zhì)量(即奧本海默極限)．一般發(fā)現(xiàn)的黑洞質(zhì)量大多為7～8倍的太陽質(zhì)量.接下來我們談?wù)?019年新發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量最小的黑洞和質(zhì)量最大的恒星級黑洞．

3.1 刷新質(zhì)量下限,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)迄今最小質(zhì)量黑洞

2019年11月,美國俄亥俄州立大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一顆質(zhì)量僅為3.3倍太陽質(zhì)量的新型小質(zhì)量黑洞,比已觀測到的黑洞質(zhì)量的下限降低了約三分之一．科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的這個(gè)質(zhì)量最小黑洞來源于一個(gè)“雙星”系統(tǒng)．所謂雙星是指兩個(gè)天體在它們相互的萬有引力作用下,繞兩顆星連線的某一點(diǎn)做圓周運(yùn)動的系統(tǒng)．我們知道黑洞的巨大引力使得其周圍一定范圍內(nèi)的光子都無法逃逸出去,因此用光學(xué)觀測手段無法看見黑洞．但值得慶幸的是,黑洞和恒星可以組成一個(gè)雙星系統(tǒng),恒星因受黑洞的引力吸引而做圓周運(yùn)動．這樣的話,只要找到一顆看不見其伴星,但運(yùn)動規(guī)律符合雙星運(yùn)動規(guī)律的恒星,就可以初步判斷出其“伴星”是一個(gè)黑洞,通過對恒星軌道的觀測和計(jì)算,還可以確定這個(gè)黑洞的質(zhì)量．研究人員此次對黑洞的觀察就是基于這個(gè)理論,從尋找雙星系統(tǒng)的角度出發(fā),通過觀察發(fā)現(xiàn)一顆紅巨星看上去好像是在圍繞另一個(gè)“看不見的”恒星轉(zhuǎn)動,并且其質(zhì)量似乎比已知黑洞要小得多,而比最大的中子星更大．進(jìn)一步分析計(jì)算發(fā)現(xiàn),這個(gè)黑洞的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的3.3倍．此前科學(xué)家確認(rèn)的黑洞質(zhì)量至少達(dá)到5倍的太陽質(zhì)量,而中子星質(zhì)量一般不會比2.1倍太陽質(zhì)量更大．對于質(zhì)量處于中子星與黑洞之間的天體,科學(xué)家尚無確切了解．這顆小質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn),有利于人們更深刻地理解黑洞的形成和恒星的生命歷程．

3.2 突破質(zhì)量上限,發(fā)現(xiàn)迄今最大質(zhì)量恒星級黑洞

2019年11月底,我國天文學(xué)家劉繼峰等研究人員公布了其發(fā)現(xiàn)的到目前為止質(zhì)量最大的恒星級黑洞(LB-1)的研究成果,該黑洞是利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)發(fā)現(xiàn)的,質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的70倍,比理論預(yù)言的質(zhì)量上限要大很多．

由于黑洞本身并不發(fā)光,人們不能直接觀測到黑洞．但是,它的強(qiáng)大引力會對附近天體的運(yùn)動產(chǎn)生一定的影響．比如說,物質(zhì)在落向黑洞而未到達(dá)其視界時(shí),會釋放出高能X射線或者γ射線,這會為搜尋黑洞提供非常重要的線索．2019年以前,科學(xué)家已經(jīng)通過這種方法在銀河系中發(fā)現(xiàn)了約20顆恒星級黑洞,它們的質(zhì)量均小于20倍太陽質(zhì)量．但在黑洞雙星系統(tǒng)中,能夠發(fā)出射線輻射的只占一小部分．只要我們想辦法獲取恒星的大量光譜,就可以根據(jù)光譜中譜線的移動來揭示恒星的運(yùn)動．而我國自主研制的目前世界上光譜獲取率最高的設(shè)備LAMOST,可以同時(shí)觀測近4 000個(gè)天體．我國研究團(tuán)隊(duì)利用LAMOST,從2016年秋季開始,用兩年時(shí)間監(jiān)測了一個(gè)小天區(qū)內(nèi)3 000多顆恒星．最后在一個(gè)不輻射射線的雙星系統(tǒng)(LB-1)中,發(fā)現(xiàn)一顆質(zhì)量為8倍太陽質(zhì)量的恒星圍繞一個(gè)“看不見的天體”做圓周運(yùn)動.研究團(tuán)隊(duì)通過研究其不同尋常的光譜特征,猜測那個(gè)“看不見的天體”很有可能是一顆黑洞．然后通過進(jìn)一步的觀測計(jì)算出該黑洞的質(zhì)量大約為太陽的70倍,是迄今為止發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量最大的恒星級黑洞,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過理論所預(yù)言的質(zhì)量上限．這或許會改寫有關(guān)恒星級黑洞形成的理論．

對于黑洞的研究,科學(xué)家從預(yù)測到驗(yàn)證,從聽見到看見,不斷有新的發(fā)現(xiàn)、新的突破,但是關(guān)于黑洞仍有許多未解之謎．研究黑洞,可以加深人類對宇宙乃至生命萬物的理解．