黑洞發(fā)現(xiàn)之路

編譯 邵峰

物理學(xué)家霍金認(rèn)為，黑洞“比任何科幻作家幻想出來的東西還奇怪”。黑洞之所以如此奇怪，是因?yàn)楹诙磧?nèi)部有一個(gè)密度無窮大、體積無窮小的奇點(diǎn)，能讓空間和時(shí)間徹底崩潰，從而產(chǎn)生人類無法理解的后果。

1783 年，英國科學(xué)家米歇爾提出，根據(jù)牛頓萬有引力定律，宇宙中可能存在連光都能被永遠(yuǎn)束縛住的大質(zhì)量天體。由于這種天體無法向外釋放光線，米歇爾將其稱為“暗星”。但米歇爾的“暗星”理論還是建立在萬有引力定律之上的。在該理論框架下，物質(zhì)并不和時(shí)空發(fā)生關(guān)系，因此“暗星”和“黑洞”從根本上依然是兩個(gè)不同的事物。

真正為黑洞奠定理論框架的是愛因斯坦于1915 年提出的廣義相對(duì)論。由此，人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代……

牛頓發(fā)現(xiàn)，蘋果落地和天體運(yùn)轉(zhuǎn)都是引力作用的結(jié)果

破解物質(zhì)和時(shí)空關(guān)系

在廣義相對(duì)論中，物質(zhì)（能量）和時(shí)空是相互影響的，物質(zhì)（能量）讓時(shí)空產(chǎn)生不同程度的彎曲，這就是引力的本質(zhì)。但愛因斯坦在計(jì)算時(shí)空曲率時(shí)遇到了麻煩，他用了10 個(gè)方程才計(jì)算出時(shí)空在不同質(zhì)量/能量下的近似彎曲程度（他認(rèn)為不可能得到精確解）。但實(shí)際上，在物理學(xué)領(lǐng)域，計(jì)算物理量的公式越簡(jiǎn)潔，才被認(rèn)為越接近真理。

廣義相對(duì)論的提出適逢德國和奧匈帝國在歐洲東線戰(zhàn)場(chǎng)上對(duì)戰(zhàn)俄羅斯帝國。和不少歐洲科學(xué)家一樣，41 歲的德國科學(xué)家史瓦西也應(yīng)征上了前線。他在家鄉(xiāng)是公認(rèn)的天才，16 歲時(shí)就發(fā)表了兩篇關(guān)于雙星軌道的論文。在東線戰(zhàn)場(chǎng)上，他被編入了炮兵連，負(fù)責(zé)為士兵計(jì)算火炮彈道的相關(guān)數(shù)據(jù)。

廣義相對(duì)論發(fā)表后，幾天之內(nèi)文本就傳遍世界，史瓦西也收到了相關(guān)材料。他一看到這個(gè)大膽又優(yōu)雅的新理論，立刻被它迷住。在接下來的日子里，他利用工作間隙，開始投入到對(duì)這10 個(gè)方程的計(jì)算中。廢寢忘食的計(jì)算工作，讓他忘記了盤旋在東線戰(zhàn)場(chǎng)上空的恐懼。

廣義相對(duì)論告訴我們，空間是可以被物質(zhì)（或能量）彎曲的

計(jì)算出黑洞的男人

如果地球坍縮成黑洞，其直徑將只有9 毫米

史瓦西被稱為“計(jì)算出黑洞存在的男人”

很快，史瓦西就發(fā)現(xiàn)愛因斯坦的方程組過于繁復(fù)，而且愛因斯坦的思路也是起源于19 世紀(jì)的陳舊套路。而史瓦西非常熟悉計(jì)算彎曲空間的黎曼幾何，這是一種新的幾何思維。在簡(jiǎn)化了一系列基本前提后，史瓦西利用黎曼幾何將愛因斯坦的10 個(gè)方程組簡(jiǎn)化為了一個(gè)方程，并奇跡般地算出了這個(gè)方程的唯一精確解。

1915 年12 月22 日，史瓦西將計(jì)算過程寫成論文，寄給了愛因斯坦。愛因斯坦不久后給史瓦西回信說：“我沒想到居然有人能以如此簡(jiǎn)潔的方法算出這個(gè)問題的解。我非常喜歡你的方法?！?/p>

史瓦西并未滿足，因?yàn)樗挥?jì)算出了球形天體外部的時(shí)空彎曲，那么內(nèi)部呢？在套用自己創(chuàng)立的方程后，他有了難以置信的發(fā)現(xiàn)：如果天體被自身引力壓縮到一定的半徑內(nèi)，嚴(yán)重扭曲的時(shí)空就將成為一個(gè)無底洞，任何進(jìn)入這個(gè)無底洞的物質(zhì)，哪怕是光，也休想從中逃走。

史瓦西無論如何不敢相信宇宙中會(huì)有這種怪物天體存在。按照他的計(jì)算，地球如果被壓縮到只有9 毫米直徑，就會(huì)成為這樣的怪物（這只是理論值，其實(shí)只有質(zhì)量至少為20 倍太陽質(zhì)量的天體才有可能發(fā)生這種變化）。史瓦西將他對(duì)這個(gè)怪物天體的計(jì)算結(jié)果寄給了愛因斯坦。1916 年2 月13 日，愛因斯坦向普魯士科學(xué)院提交了這份計(jì)算結(jié)果。不幸的是，史瓦西因病于1916 年5 月11 日與世長(zhǎng)辭。

天空中的神秘X 射線源

1963 年，一名美國物理學(xué)家將史瓦西計(jì)算出的怪物天體命名為黑洞。但當(dāng)時(shí)的科學(xué)家都覺得黑洞只存在于理論中，就連愛因斯坦本人也不愿意承認(rèn)黑洞的存在。

1964 年的一天，在美國新墨西哥州的一個(gè)導(dǎo)彈基地，一枚火箭騰空而起，上升到高層大氣。它在升空時(shí)不斷旋轉(zhuǎn)，其搭載的放射性探測(cè)器掃描整個(gè)天空，并記錄到了除太陽外的多個(gè)X 射線源，其中信號(hào)最強(qiáng)烈的一個(gè)位于天鵝座方向。這個(gè)神秘的強(qiáng)X 射線源被命名為天鵝座X-1。一些科學(xué)家猜測(cè)天鵝座X-1 很可能就是一個(gè)黑洞，但也有科學(xué)家不這么認(rèn)為。

格林尼治天文臺(tái)

天鵝座X-1 不斷吸積藍(lán)色恒星的物質(zhì)

在1964 年之前，科學(xué)家對(duì)黑洞的認(rèn)識(shí)還很粗淺，認(rèn)為它就是一個(gè)讓物質(zhì)有進(jìn)無出的洞。1964 年到1973 年，科學(xué)家經(jīng)過大量計(jì)算，得出黑洞不但會(huì)旋轉(zhuǎn)，還會(huì)引起周圍的時(shí)空波瀾。

1971 年，英國科學(xué)家穆丁來到大名鼎鼎的英國格林尼治天文臺(tái)工作。該天文臺(tái)位于一座建于15 世紀(jì)的城堡的八角屋中。同年秋天，穆丁和另一名天文學(xué)家韋伯斯特發(fā)現(xiàn)，在天鵝座X-1 區(qū)域內(nèi)，一顆藍(lán)色恒星正圍繞著虛空運(yùn)行，在其軌道中央似乎存在一顆不會(huì)發(fā)光的大質(zhì)量天體。藍(lán)色恒星是恒星家族中的“大塊頭”，它們所圍繞天體的質(zhì)量肯定也很大，但為何這個(gè)神秘天體不發(fā)光？

根據(jù)藍(lán)色恒星的預(yù)測(cè)質(zhì)量和其5、6 天圍繞神秘天體運(yùn)行一周的速度，穆丁和韋伯斯特計(jì)算出了那個(gè)神秘天體的質(zhì)量：可能為4 倍太陽質(zhì)量，甚至可能是6 倍。當(dāng)時(shí)人類發(fā)現(xiàn)的致密天體只有白矮星和中子星，但理論上這兩類天體的質(zhì)量都不會(huì)大于太陽質(zhì)量的兩倍。那么，藍(lán)色恒星圍繞的是什么天體？穆丁和韋伯斯特推測(cè)它就是黑洞。

他們認(rèn)為，藍(lán)色恒星和黑洞形成雙星系統(tǒng)，黑洞不斷從藍(lán)色恒星上剝離物質(zhì)，這些物質(zhì)在落入黑洞的過程中因摩擦而被加熱到極高溫度，從而釋放X 射線。他們將這一理論寫成一篇論文，打算投給《自然》期刊。但他們的上級(jí)、皇家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)理查德根本不相信黑洞存在，還擔(dān)心這樣的文章會(huì)招來恥笑。不過，在其他資深天文學(xué)家的調(diào)解下，理查德最終同意發(fā)表此文。

這篇論文發(fā)表于1972 年1 月的《自然》雜志上，穆丁因此名聲大噪，獲得了格林尼治天文臺(tái)終生職位。此后，人類又接連發(fā)現(xiàn)疑似黑洞。人類終于打破了對(duì)黑洞只存在于理論中的認(rèn)識(shí)。后來，經(jīng)過蓋亞衛(wèi)星和甚長(zhǎng)基線干涉陣列的多次測(cè)量，科學(xué)家測(cè)得天鵝座X-1 黑洞距離地球7000 多光年，質(zhì)量約為太陽的20 倍。

大黑洞和小黑洞

在人類發(fā)現(xiàn)的所有黑洞中，有一類黑洞可謂“另類”。一位美國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了被稱為“類星體”的奇異天體。類星體其實(shí)是新生星系的核心，雖然體積沒有太陽系大，釋放的能量卻高達(dá)銀河系總能量的數(shù)千倍。科學(xué)家普遍認(rèn)為，類星體的本質(zhì)是活躍的星系核，其內(nèi)部是一個(gè)質(zhì)量高達(dá)數(shù)百萬倍乃至數(shù)百億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。

按照質(zhì)量大小，黑洞可分為三類：

大質(zhì)量恒星在自身引力作用下坍縮而成的黑洞。

更大質(zhì)量的恒星形成的黑洞。

位于所有已知星系中央的巨型黑洞，其質(zhì)量遠(yuǎn)超前兩類黑洞。

恒星黑洞和中等質(zhì)量黑洞都可以由恒星演化而來，但超大質(zhì)量黑洞的形成過程至今都是個(gè)謎，因?yàn)橛钪嬷胁淮嬖谫|(zhì)量大到能一次性形成超大質(zhì)量黑洞的恒星。對(duì)此，科學(xué)家提出了兩種可能性：星系塵埃不斷吸引、聚集并形成超大質(zhì)量黑洞；恒星黑洞或中等質(zhì)量黑洞不斷融合，形成超大質(zhì)量黑洞。

進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的升空讓天文學(xué)家知道，幾乎每個(gè)星系的中央都潛伏著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，我們所在的銀河系也不例外。銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞被命名為“人馬座A＊”，其中“人馬座”代表銀心黑洞所在位置，“＊”代表“星”。人馬座A＊在超大質(zhì)量黑洞家族中只能算小個(gè)頭，質(zhì)量“只有”太陽質(zhì)量的430 萬倍。

雖然天文學(xué)家確信人馬座A＊就是黑洞，但在2015 年前，一些科學(xué)家依然將它稱為“某個(gè)非常致密的天體”。直到2015年引力探測(cè)器首次探測(cè)到了兩個(gè)黑洞合并所產(chǎn)生的引力波時(shí)，黑洞的存在才成為鐵一般的事實(shí)。

第一張黑洞照片

M87 黑洞

要研究黑洞，天文學(xué)家面臨兩個(gè)問題：銀河系中確實(shí)存在不少恒星黑洞和中等質(zhì)量黑洞，但它們不僅小，而且是黑的（至少從地球看去和太空的黑色背景沒有區(qū)別）；超大質(zhì)量黑洞雖然大且明亮（這種黑洞的外圍是非常明亮的），但位于其他星系，距離我們過于遙遠(yuǎn)，難以觀測(cè)。選來選去，有觀測(cè)條件的黑洞就只剩下距離銀河系較近的M87 星系中央黑洞（簡(jiǎn)稱M87 黑洞），以及人馬座A＊(簡(jiǎn)稱銀心黑洞)。

2012 年，世界各國的天文學(xué)家云集于美國亞利桑那州，提出了一個(gè)大膽的觀測(cè)黑洞方案：利用位于南極洲、智利、墨西哥、美國和西班牙的8 座高素質(zhì)射電望遠(yuǎn)鏡組成一個(gè)口徑尺寸相當(dāng)于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡，即“事件視界望遠(yuǎn)鏡”。將這些望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)匯總到美國海斯塔克天文臺(tái)進(jìn)行處理，就能得到極遠(yuǎn)距離外黑洞的圖像。

2019 年4 月10 日，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目組公布了第一張黑洞圖像，但它并不是銀心黑洞，而是比銀心黑洞重1000倍、大1000 倍的M87 黑洞。這張圖像的觀測(cè)時(shí)間是在2017 年4 月?？茖W(xué)家對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行了為期2 年的處理，才得到了最后的圖像。

M87 黑洞距離地球5500 萬光年，質(zhì)量是太陽質(zhì)量的64 億倍，是已知質(zhì)量最大的黑洞之一，其中心呈黑色，周圍有新月狀光環(huán)環(huán)繞。要觀測(cè)到這個(gè)黑洞，難度相當(dāng)于在地球上用望遠(yuǎn)鏡看清月球表面的一只足球。

銀心黑洞成像難度更高

2022 年5 月12 日，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目組公布了第一張銀心黑洞的照片。這個(gè)黑洞距離我們2.6 萬光年，其中心黑暗區(qū)域是包括事件視界在內(nèi)的黑洞，發(fā)亮的部分位于事件視界之外，它們被黑洞的引力加速到極大的速度，溫度最高可達(dá)100 億℃。

對(duì)銀心黑洞和M87 中央黑洞的觀測(cè)都在2017 年就完成了，只不過前者的成像難度遠(yuǎn)高于后者，因此前者圖像的發(fā)布比M87 黑洞圖像晚了3 年。之所以選擇不先處理銀心黑洞，是因?yàn)榈厍蚝豌y心黑洞之間有大量的環(huán)繞物質(zhì)會(huì)干擾觀測(cè)，同時(shí)銀心黑洞附近區(qū)域是恒星的密集區(qū)，大量恒星的光芒也會(huì)干擾觀測(cè)。

在M87 黑洞中央，黑洞吸積盤上的大量發(fā)光氣體需要數(shù)周才能繞黑洞運(yùn)行一周，但銀心黑洞比M87 黑洞小得多，氣體幾分鐘就環(huán)繞黑洞一周，這意味著在一整晚的觀測(cè)過程中銀心黑洞的成像始終在變化?？茖W(xué)家說，這就好像在晚上給一個(gè)到處亂跑的小孩拍照一樣難。

事件視界望遠(yuǎn)鏡的8 座望遠(yuǎn)鏡都位于地面，它們?cè)谟^測(cè)星空時(shí)都會(huì)受到大氣的干擾，就像夏天站在河里的我們看水下的魚一樣——它們的形狀被流動(dòng)的河水嚴(yán)重扭曲。為了解決大氣擾動(dòng)對(duì)銀心黑洞成像的影響，科學(xué)家借助了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)。科學(xué)家從地面發(fā)射一束功率很強(qiáng)的黃色激光，高層大氣中的鈉離子受激發(fā)光，發(fā)光點(diǎn)被稱為“鈉引導(dǎo)星”。鈉引導(dǎo)星同樣會(huì)受大氣擾動(dòng)而產(chǎn)生畸變，但科學(xué)家只要能還原鈉引導(dǎo)星本來的形狀，就能用同樣的參數(shù)還原黑洞的原樣。

照片中發(fā)光的環(huán)形結(jié)構(gòu)位于事件視界之外，明亮的環(huán)圍繞著一個(gè)黑暗的中心區(qū)域，光明和黑暗的交接帶就是黑洞的事件視界邊緣。

這張圖是人類第一次捕獲銀心黑洞的圖像。有趣的是，銀心黑洞和M87 黑洞外形十分接近，兩者的相似性證實(shí)了廣義相對(duì)論的一個(gè)預(yù)測(cè)：所有黑洞，無論大小，形狀都是相似的。

黑洞的怪異之處

20 世紀(jì)70 年代初，美國物理學(xué)家惠勒向自己的學(xué)生提出了一個(gè)問題：“如果向黑洞中倒一杯茶，會(huì)發(fā)生什么？”惠勒關(guān)心的并不是黑洞會(huì)不會(huì)被熱茶燙傷，而是想知道熱茶中的熱量和熵（物質(zhì)無法被利用的能量）進(jìn)入黑洞后會(huì)不會(huì)徹底消失。要知道，根據(jù)熱力學(xué)定律，熱量和熵是不會(huì)消失的。

1971 年，霍金提出了“黑洞面積定理”，即黑洞的事件視界的面積總是增大的。雖然霍金本人發(fā)現(xiàn)了黑洞的這個(gè)特點(diǎn)，但他也不清楚其中蘊(yùn)含的意義。破解這個(gè)謎團(tuán)的人是美國物理學(xué)家貝肯斯坦，根據(jù)他的計(jì)算，物體落入黑洞后的熵并不會(huì)消失，而是以事件視界表面積增加的形式被黑洞保留下來。

如果將熱茶倒進(jìn)黑洞，熱茶的熱量和熵又去了哪里

貝肯斯坦解釋說，被黑洞吸收的物體的熱量和熵依然會(huì)被黑洞保留

黑洞蒸發(fā)的原理

在貝肯斯坦解決了熵難題后，1974 年，霍金解決了黑洞的熱問題。根據(jù)量子力學(xué)，真空并不是空的，亞原子粒子和它們的反粒子不斷成對(duì)出現(xiàn)，又在一瞬間互相湮滅。這種現(xiàn)象如果發(fā)生在黑洞的事件視界附近，就會(huì)造成有趣的結(jié)果：被真空創(chuàng)造出來的一對(duì)粒子可能一個(gè)在事件視界內(nèi)，另一個(gè)在事件視界外。位于事件視界之內(nèi)的粒子會(huì)被黑洞強(qiáng)大的引力拉入奇點(diǎn)，位于事件視界之外的粒子則會(huì)因?yàn)槭チ虽螠绲膶?duì)象，從而和其他具有相同遭遇的粒子一同逃離黑洞。也就是說，黑洞會(huì)不斷對(duì)外輻射粒子——這種現(xiàn)象被稱為霍金輻射。任何溫度在絕對(duì)零度以上的物體都會(huì)向外輻射熱能，黑洞也會(huì)向外輻射熱能，因此黑洞也存在溫度，被吸入黑洞的物體的熱量并不會(huì)憑空消失。

黑洞里面有什么？

黑洞中心是一個(gè)質(zhì)量、密度和引力都大到不可思議的奇點(diǎn)。根據(jù)廣義相對(duì)論，奇點(diǎn)是時(shí)空曲率無限大的區(qū)域，時(shí)空也在奇點(diǎn)處完全消失，因此一切物理學(xué)原理都不適用于奇點(diǎn)。

黑洞并非毫無原則地吞噬接近自己的物體。如果飛船遠(yuǎn)遠(yuǎn)地經(jīng)過黑洞，那么飛船的航行軌跡只會(huì)在黑洞引力下發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)，就像經(jīng)過某個(gè)普通恒星一樣。但如果飛船太過靠近黑洞，那么飛船就會(huì)不可避免地被吸進(jìn)黑洞中央。如果飛船進(jìn)入的是一顆恒星黑洞，這類黑洞往往很?。ê诙创笮≈负诙词录暯绲陌霃剑?，此時(shí)飛船頭部受到的黑洞引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于飛船尾部受到的引力，在巨大的引力差下，飛船會(huì)被撕成碎片，然后碎片會(huì)繼續(xù)在強(qiáng)大的引力差下被拉成一根根“面條”，旋轉(zhuǎn)著進(jìn)入黑洞。但如果進(jìn)入的是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，那么飛船頭尾受到的引力差就很小，飛船至少能夠在進(jìn)入事件視界之前保持完整，至于進(jìn)入事件視界之后會(huì)發(fā)生什么，就不得而知了。

黑洞對(duì)于人類依然是非常神秘的存在（想象圖）

愛因斯坦無法肯定黑洞的存在，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)科學(xué)家認(rèn)為只有從各個(gè)方向都完全對(duì)稱的完美球體恒星才可能坍縮成奇點(diǎn)，而這樣的恒星在宇宙中幾乎不存在。不過，英國物理學(xué)家彭羅斯和霍金發(fā)現(xiàn)，只要恒星的質(zhì)量達(dá)到一定臨界點(diǎn)，不論恒星的形狀是否完美對(duì)稱，都會(huì)形成奇點(diǎn)。根據(jù)彭羅斯和霍金的理論，宇宙起源于一個(gè)奇點(diǎn)的大爆炸，并將會(huì)在某一天重新被擠壓成一個(gè)奇點(diǎn)。雖然我們已經(jīng)看見了黑洞，但人類對(duì)黑洞的探知遠(yuǎn)未結(jié)束。