慢慢揭开面纱的宇宙神密者——宇宙黑洞简介

一个画家是这样描绘天鹅座X-1星系的：一个有着恒星质量的黑洞与一颗距离地球7200光年的伴星一起绕轨道运行

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黑洞是宇宙中引力巨大，连光都无法逃脱的区域。黑洞不是一个空的空间，而是一个被宇宙中的物质塞满的一个小小塞孔。

谁发现了黑洞？

物理学家卡尔·史瓦西尔德在1916年偶然间发现了黑洞，那时的他正在进行针对爱因斯坦广义相对论解决方案的研究。他试图找到解决单个对称物质球体引力的方法——例如太阳是银河系的中心。但是这个办法有个特征，即在一个特定半径下表现异常，如今称为史瓦西尔德半径。

很快他就意识到为什么这个半径很特殊。如果将物体的质量压缩到小于该半径的空间中，它的引力会比所有已知力量都大，而且任何物质都无法从这里出去。早期科学家称这种情况永远都不会出现。但在二十世纪三十年代，印度科学家苏布拉曼扬·钱德拉塞卡得出了在一定密度以上，没有力可以压倒重力的理论，这也证实了宇宙中的确会有黑洞的存在。然而，黑洞只能在这种低端的条件下形成。

黑洞是如何形成的？

恒星的核心内部发生核聚变的动力使其能产生光和热，在那里两个轻质原子融合在一起形成一个较重的原子，这个过程释放出了能量。那些较重的原子又相互融合成更重的原子，这个过程一直持续从而保证这颗恒星可以散发出光和热。

在融合的过程中，两个或更多的粒子碰撞而形成更大的产物。在这幅图中，氘和氚结合在一起使氦与中子一起发射，这就是恒星产生能量的方式。（图片来源：马克·加里克/科学照相馆/盖蒂）

因此，当临近生命终结的恒星质量超过我们太阳质量的八倍时，它们不断在核心部分聚集像硅和镁这种质量越来越高的物质。实际上这些物质正在形成铁。问题是，融合铁需要的能量比反应产生的能量还要多，另外在这种情况下，什么都不可以抵消掉恒星自身质量的内向引力。紧接着这颗极重的恒星就自身坍塌了。在整个极其沉重的重力作用下，恒星的核心被挤压到史瓦西尔德半径之外，黑洞就形成了。

由于没有任何已知力量可以阻止这个坍塌，一旦恒星变成了黑洞它就会一直向下挤压直至形成一个奇点——也就是一个无限密度的点。围绕着奇点的是黑洞表面，这是一个无形的球形边界，也标志了黑洞的入口。一旦有东西接近黑洞表面，它就绝不可能逃开。如果想要逃脱开，它就必须比光速还要快，但由于没有任何物体的移动速度超过光速，因此，它指定成为黑洞的“盘中餐”

比太阳质量高出数百万倍的超大黑洞靠着吞噬周边的星体，加上与其他黑洞合并，在亿万年前就有所形成了。

黑洞内部发生了什么？

黑洞内部绝不是什么都不存在。在黑洞内部，人们会发现极大的重量都压低到一个无限小的点，那个奇点的引力就无可避免的会承担所有的重量。如同科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究所的联合研究所阐明：无论你面朝哪个方向，无论你费多大力想逃脱，最终你一定会在有限时间内抵达那个奇点。

物理学家们无法得知在黑洞的奇点中都发生了什么，在这个如此极端的环境下，我们目前所有的物理知识都无法解释。

科学家们如何得知黑洞是真实存在的？

尽管科学家们缺少对黑洞内部状态的认知，但他们证明了黑洞是真实存在的。美国宇航局称，最早证实黑洞的存在的证据就是天鹅座X-1，那是距我们约6,000光年的X射线的亮源。对该星系的观测显示出一个小而密度高的黑暗伴星，也就是黑洞，他将绕轨运行的大气变成漏斗形状。天文学家无法观测到黑洞的本体，但是当气体降到黑洞表面时时，它的温度会升高并以X射线的形式发出能量。

天鹅座X-1黑洞正在将一颗庞大的蓝色伴星的物质吸进它内部，这些物质在黑洞周围形成了吸积盘。（图片来源：美国宇航局）

黑洞有多大？

天鹅座X-１的黑洞约为太阳质量的２０倍，是整个宇宙中典型的黑洞质量。根据美国宇航局的报道，科学家们已经发现了银河系中的１千万到十亿颗黑洞。已知距离我们最近的黑洞就是天鹅座X-１，它潜伏在距离我们６０００光年远的位置上（当然还有据我们１０００光年的黑洞未被证实）

但在银河系的中心——也在大多数星系的中心位置——存在着怪物一般的超大质量黑洞。超大质量黑洞是太阳质量的大约数百万倍，有的甚至是太阳质量的数千亿倍。这种有着惊人质量的黑洞已经靠着吸收周围物质、与其他黑洞合并而存在大约亿万年之久了。

（图解：在左边，一团发光的氢气呈现黄色。在右边，蓝色的光是银河系中心一个正在成长的超大质量黑洞。）

图源：X射线（美国航天局/CXC/达勒姆大学/亚历山大等）；光学(NASA/ESA/STScI/IoA/S.Chapman莱蒙-阿尔法光学公司（ NAOJ /斯巴鲁/东北大学/ T . Hayashino 等）；红外线公司（ NASA / JP L -加州理工学院/达勒姆大学/ J . Geach 等）

黑洞看起来是什么样子的？

第一张黑洞的照片显示在黑洞的外围有着一圈黄色的光环。

下图就是第一张黑洞的照片：（图片来源：事件视界望远镜协作）

黑洞就如同它的名字，它的内部是黑色的，发射不出任何光源。但是天文学家们仍然可以通过黑洞对于其他物质的引力作用，以及它们混乱的吸收任何物质的习惯来观测到它们。

由于黑洞产生的类星体，天文学家们能够看到它们，尤其是超大质量黑洞。类星体是非常强烈的无线电放射源。当物体掉落到黑洞表面，它会在天鹅座X-1的增强版中逐渐被挤压和加热。美国宇航局称，黑洞周围物质形成的吸积盘比整个宿主星系都亮，并且能够将接近光速的极热粒子发射到数万光年以外。

（图解：该艺术家展示了一个以超大质量黑洞为核心的星系。 黑洞正在射出无线电波。图源：美国宇航局/ JPL-Caltech）

另一种能够观测到黑洞的方法就要等到两个黑洞合并的时候了。当两个黑洞碰撞在一起时，它们会产生引力波。这些波纹极其脆弱，但是在地球上的敏感仪器还是能够感知到。迄今为止，天文学家已经见证了50个黑洞合并的过程。

实际上，黑洞真实的“照片”拍摄于2019年，当天文学家用事件视界望远镜——一个遍布世界的网络——拍摄这张在M87 *黑洞周围旋转着的明亮的吸积盘图像时，《生命科学》正在做报道。M87 *黑洞比太阳重30亿倍，位于距我们50，000，000多光年的星系中，在图片中它看起来像一个扭曲的橙子味的甜甜圈。由于天文学家不可能拍摄到黑洞自身的照片（因为没有光可以逸出），因此他们看到的是它的“影子”，也就是围绕着它的发光物质中的洞。

假如你掉进了黑洞会怎样？

我们应该庆幸距离我们最近的黑洞在数千光年之外。从远处看，黑洞表现得就像宇宙中任何其他大型物质一样。事实上，如果把我们的太阳用同质量的黑洞来代替，地球的运行轨道当然也会维持不变（即使所有的植物都会死掉，但这又是另一个问题了）。但是在这个黑洞附近，极其强大的引力会在你到达黑洞表面之前，把你从头到脚拉成一条细长的粒子链，我们可以将这个状态优雅的称为“意大利面条化”。