黑洞：宇宙中最神秘的天體

周潔

黑洞效果圖。

1916年，德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西通過(guò)計(jì)算得到了愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的一個(gè)真空解，這個(gè)解表明，如果一個(gè)靜態(tài)球?qū)ΨQ星體實(shí)際半徑小于一個(gè)定值，其周圍會(huì)產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即存在一個(gè)界面——“視界”，一旦進(jìn)入這個(gè)界面，即使光也無(wú)法逃脫。這個(gè)定值稱作“史瓦西半徑”。

此后的半個(gè)世紀(jì)，圍繞“視界”的討論一直存在，但始終都沒(méi)有正式的名字，人們只知道物壓縮到史瓦西半徑會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有“視界”的天體。

直到1967年12月29日，在紐約的一次會(huì)議上，美國(guó)天體物理學(xué)家約翰·阿奇巴德·惠勒創(chuàng)造性地將這一現(xiàn)象以“黑洞”一詞概括，借此來(lái)描述恒星的可怕與神秘，這也是黑洞的首次提出。

約翰明白一個(gè)簡(jiǎn)練的短語(yǔ)或一個(gè)概念的名字可能對(duì)研究人員和非科學(xué)家產(chǎn)生的心理影響，因此他花了很多時(shí)間來(lái)思考所有可能的名字和短語(yǔ)，他當(dāng)時(shí)為了讓人們對(duì)黑洞的“吃貨”屬性有所了解，靈機(jī)一動(dòng)，才突然有了“black hole”這個(gè)名字。雖然因?yàn)檫@個(gè)名字引發(fā)過(guò)許多誤會(huì)，但似乎也沒(méi)有比這更合適的詞語(yǔ)來(lái)形容這種天體了。

進(jìn)入銀河系核心區(qū)域，你會(huì)發(fā)現(xiàn)眾多的恒星似乎圍繞著虛空的空間運(yùn)行。這里就是黑洞的所在。

長(zhǎng)久以來(lái)，黑洞一直在挑戰(zhàn)科學(xué)家的認(rèn)知力，也吸引著大眾的想象。

黑洞是什么？

作為已知的最強(qiáng)大和最神秘的天體，黑洞可以重塑整個(gè)銀河系，扭曲時(shí)空結(jié)構(gòu)。黑洞的引力極其強(qiáng)大，使得視界內(nèi)的逃逸速度大于光速。

科學(xué)家認(rèn)為，黑洞的本質(zhì)是一個(gè)“奇點(diǎn)”以及包裹著這個(gè)奇點(diǎn)的“事件視界”，奇點(diǎn)和它的視界范圍是一個(gè)整體，因?yàn)楹诙粗車囊暯绫旧砭褪且驗(yàn)槠纥c(diǎn)的誕生隨之出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。

“奇點(diǎn)”，就是整個(gè)黑洞的中心。

一般情況下，黑洞都是由大質(zhì)量恒星演化來(lái)的。當(dāng)一顆恒星衰老時(shí)，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料，它沒(méi)有足夠的能量承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍，直到最后形成體積接近無(wú)限小、密度幾乎無(wú)限大的星體（幾乎為奇點(diǎn)），而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度（一定小于史瓦西半徑），質(zhì)量導(dǎo)致的時(shí)空扭曲就使得光也無(wú)法向外射出——“黑洞”就誕生了。

所以在這個(gè)點(diǎn)上的物質(zhì)密度高到無(wú)法想象，在奇點(diǎn)附近人類的一切物理定律都會(huì)失效。

這么來(lái)看，黑洞應(yīng)該是一個(gè)黑乎乎的地方，是無(wú)法被看見的。但2019年，天文學(xué)家們發(fā)布了第一張黑洞圖像，拍攝的是距離地球5500萬(wàn)光年的梅西耶87黑洞，被科學(xué)家打趣地稱為“甜甜圈”。

當(dāng)然，這張圖像無(wú)法直接展示出黑洞的樣貌，就像人無(wú)法看見風(fēng)，但可以通過(guò)被風(fēng)吹起的沙子來(lái)判斷風(fēng)的存在。這張圖像實(shí)際上記錄的是圍繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)的扁平熱等離子體，這一部分也被稱為吸積盤。

等離子體由高能帶電粒子組成。當(dāng)?shù)入x子體在黑洞周圍旋轉(zhuǎn)時(shí)，加速粒子發(fā)射出無(wú)線電波。而圖像中模糊的橙色環(huán)是由分散在地球各地的8臺(tái)望遠(yuǎn)鏡捕捉到的無(wú)線電波精心重建而成的。

梅西耶87黑洞其實(shí)還有一條長(zhǎng)約5000光年的噴流。噴流與吸積過(guò)程相伴，吸積過(guò)來(lái)的物質(zhì)并不是全部落入黑洞中，受到黑洞磁場(chǎng)等因素的作用，一部分物質(zhì)會(huì)匯聚成狹窄的物質(zhì)流噴射出去，這就是噴流。這些噴出的物質(zhì)飄散在宇宙空間，未來(lái)將孕育出新的天體。

2019年的照片只拍到了黑洞和它的吸積盤，黑洞結(jié)構(gòu)并不完整。所以之后我國(guó)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)利用相同的技術(shù)手段，在新的觀測(cè)波段重新為其拍照，新波段下的望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)更大。能夠看到更多的黑洞結(jié)構(gòu)。

2023年4月，科學(xué)家公布了梅西耶87黑洞的“全景照”，首次將黑洞及周圍結(jié)構(gòu)成像在一張圖片中。

5個(gè)月后，在我國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)、全球45個(gè)科研機(jī)構(gòu)組成的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)共同努力下，人類首次“看見”的梅西耶87黑洞，被證明確實(shí)在自旋，這一現(xiàn)象符合愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的相關(guān)預(yù)測(cè)。在此之前，黑洞是否處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，并沒(méi)有直接的觀測(cè)證據(jù)。

除了梅西耶87黑洞，2022年春天，天文學(xué)家公布了銀河系中心的人馬座A*黑洞照片，這張新圖像證實(shí)并完善了天文學(xué)家對(duì)其大小和取向的預(yù)測(cè)，提供了黑洞前所未有的細(xì)節(jié)，也構(gòu)成了“廣義相對(duì)論最重要的視覺(jué)證明之一”。

黑洞在文學(xué)中應(yīng)用，常被用來(lái)指代“貪婪”，因?yàn)榉彩强拷亩紩?huì)被它吞噬掉。事實(shí)上，隨著科學(xué)家對(duì)于黑洞的探索和認(rèn)識(shí)，這個(gè)觀點(diǎn)已經(jīng)有了新的進(jìn)展。

1999年，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吸積流處于“熱”吸積模式時(shí)，進(jìn)入黑洞勢(shì)力范圍的絕大部分氣體都不會(huì)落入黑洞。根據(jù)吸積流的溫度可以將吸積流分成“冷”“熱”兩種。宇宙中大部分黑洞周圍的吸積流都是熱吸積流。

中科院上海天文臺(tái)袁峰研究員領(lǐng)導(dǎo)的課題組則進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吸積流處于”熱“模式時(shí)，進(jìn)入黑洞引力范圍的絕大部分氣體會(huì)變成外流，流出黑洞的勢(shì)力范圍，回到黑洞所處的星系中。

黑洞也不是永恒存在的，隨著時(shí)間的推移，黑洞也會(huì)死亡。死亡時(shí)，黑洞會(huì)發(fā)生劇烈的爆炸，甚至是噴撒出大量的物質(zhì)，被黑洞吸收的物質(zhì)和能量攜帶的信息會(huì)在黑洞死亡時(shí)被釋放出來(lái)。或許，那將是另一個(gè)宇宙新的開始？

此外，過(guò)去我們始終無(wú)法量化宇宙中黑洞的數(shù)量，不過(guò)自引力波天文學(xué)誕生以來(lái)，引力波的探測(cè)技術(shù)為我們提供了首個(gè)近乎完整的黑洞普查。

基于已探測(cè)到的引力波數(shù)據(jù)，通過(guò)整合關(guān)于恒星、黑洞以及宇宙演化的信息，科學(xué)家們得出了宇宙中黑洞數(shù)量的第一個(gè)可靠估算：40萬(wàn)億顆。

這一數(shù)字超出了幾乎所有人的預(yù)期，這相當(dāng)于所有恒星中有1%～2%最終形成黑洞，而這些黑洞占據(jù)了宇宙總質(zhì)量的0.04%。

對(duì)黑洞進(jìn)行成像是天文學(xué)的突破性進(jìn)展，但也只是探索黑洞邁出的第一步。

科學(xué)家們正在進(jìn)一步嘗試在不同波段給黑洞拍攝“彩色照片”，甚至加上時(shí)間維度來(lái)拍攝“黑洞電影”，或許有一天，黑洞將不再神秘，人類也有機(jī)會(huì)理解終極宇宙奧義。

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