關(guān)于“黑洞”，你需要知道的

2019年4月10日，全球六地以英語(yǔ)、西班牙語(yǔ)、漢語(yǔ)和日語(yǔ)四種語(yǔ)言，多國(guó)科研人員合作的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目宣布：人類(lèi)首張黑洞照片發(fā)布。該黑洞位于室女座一個(gè)巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬(wàn)光年，質(zhì)量約為太陽(yáng)的65億倍。它的核心區(qū)域存在一個(gè)陰影，周?chē)h(huán)繞一個(gè)新月?tīng)罟猸h(huán)。

人類(lèi)首張黑洞照片

      相信大家很多人小時(shí)候都對(duì)“黑洞”這個(gè)詞語(yǔ)很好奇，都在想它究竟是個(gè)什么東西，甚至大多數(shù)人都認(rèn)為這會(huì)不會(huì)是一個(gè)深不見(jiàn)底的吞噬人的看不見(jiàn)的洞。但是不要讓這個(gè)名字欺騙你：黑洞不是空洞。更確切地說(shuō)，這是一個(gè)非常小的區(qū)域內(nèi)的大量物質(zhì)，想象一個(gè)被太陽(yáng)擠壓成大約直徑約為紐約市的球體大十倍的恒星。結(jié)果是一個(gè)如此強(qiáng)大的引力場(chǎng)，沒(méi)有任何東西，甚至光線都無(wú)法逃脫。近年來(lái)，以美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）為首的各個(gè)國(guó)家的天文科研機(jī)構(gòu)都用各種科學(xué)儀器為這些奇怪的物體描繪了新的畫(huà)面，對(duì)于許多人來(lái)說(shuō)，它們是太空中最迷人也是最神秘的物體。

       空間物體如此龐大而密集，光線無(wú)法逃脫的想法已經(jīng)存在了幾個(gè)世紀(jì)。最著名的是，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)了黑洞，這表明當(dāng)一顆巨大的恒星死亡時(shí)，它留下了一個(gè)小而密集的殘余核心。如果核心的質(zhì)量大于太陽(yáng)質(zhì)量的三倍，根據(jù)方程式顯示，重力會(huì)壓倒所有其他的力并產(chǎn)生黑洞。

       科學(xué)家們不能用望遠(yuǎn)鏡直接觀察黑洞，只能通過(guò)探測(cè)X射線，光線或其他形式的電磁輻射。然而，我們可以推斷黑洞的存在，并通過(guò)檢測(cè)它們對(duì)附近其他物質(zhì)的影響來(lái)研究它們。例如，如果黑洞穿過(guò)一團(tuán)星際物質(zhì)，它將在被稱(chēng)為吸積的過(guò)程中向內(nèi)吸取物質(zhì)，只要有正常的恒星靠近黑洞就會(huì)發(fā)生類(lèi)似的過(guò)程。在這種情況下，黑洞可以將星體拉向自身，從而將星體撕裂。當(dāng)吸引的物質(zhì)加速并加熱時(shí)，它會(huì)發(fā)射出射入太空的X射線。最近的發(fā)現(xiàn)提供了一些誘人的證據(jù)，證明黑洞對(duì)周?chē)泥徲虍a(chǎn)生了巨大的影響，發(fā)射強(qiáng)大的伽馬射線爆發(fā)，吞噬附近的恒星，并刺激某些地區(qū)新星的生長(zhǎng)，同時(shí)阻止其他地區(qū)的恒星。

       One Star's End是黑洞的開(kāi)端，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是大多數(shù)黑洞都是由超新星爆炸中死亡的大型恒星的殘余物形成的。為什么這里提到是大型呢，是因?yàn)檩^小的恒星變成致密的中子星，其大小不足以捕獲光。如果恒星的總質(zhì)量足夠大（大約是太陽(yáng)質(zhì)量的三倍），理論上可以證明沒(méi)有力可以保持恒星。然而，隨著恒星坍塌，一件奇怪的事情發(fā)生了，當(dāng)恒星的表面接近一個(gè)被稱(chēng)為“事件視界”的假想表面時(shí)，恒星上的時(shí)間相對(duì)于遠(yuǎn)離觀測(cè)者所保持的時(shí)間減慢。當(dāng)表面到達(dá)事件視界時(shí)，時(shí)間靜止不動(dòng)，恒星不再坍塌，變成了一個(gè)凍結(jié)的坍縮物體，這就是黑洞的初形成。

       恒星碰撞會(huì)導(dǎo)致更大的黑洞。在2004年12月時(shí)候，美國(guó)宇航局的斯威夫特望遠(yuǎn)鏡觀察到強(qiáng)大的稍縱即逝的閃光，稱(chēng)為伽馬射線爆發(fā)。科學(xué)家們后來(lái)通過(guò)美國(guó)宇航局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡從事件的“余輝”中收集了數(shù)據(jù)，這些觀測(cè)結(jié)果使得天文學(xué)家得出結(jié)論，當(dāng)黑洞和中子星碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的爆炸，從而產(chǎn)生另一個(gè)黑洞。

       盡管理解了基本的形成過(guò)程，但黑洞科學(xué)中的一個(gè)常年謎團(tuán)是它們似乎存在于兩個(gè)完全不同的尺寸尺度上。在一端，有無(wú)數(shù)黑洞是大質(zhì)量恒星的殘余，在整個(gè)宇宙中，這些“恒星質(zhì)量”黑洞通常是太陽(yáng)質(zhì)量的10到24倍。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)另一顆恒星靠近它們時(shí)，它們周?chē)囊恍┪镔|(zhì)被黑洞的引力所吸引，在此過(guò)程中產(chǎn)生了X射線。然而，大多數(shù)恒星黑洞導(dǎo)致很多孤立的生命無(wú)法被探測(cè)到。然而，從足以產(chǎn)生這種黑洞的恒星數(shù)量上來(lái)看，科學(xué)家估計(jì)僅銀河系就有多達(dá)一千萬(wàn)到十億個(gè)這樣的黑洞。

       在尺寸范圍的另一端是被稱(chēng)為“超大質(zhì)量”黑洞的巨人，這些黑洞的數(shù)量是數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億，與太陽(yáng)一樣大。天文學(xué)家認(rèn)為，超大質(zhì)量黑洞位于幾乎所有大型星系的中心，甚至是我們自己的銀河系。天文學(xué)家可以通過(guò)觀察它們對(duì)附近恒星和天然氣的影響來(lái)探測(cè)它們。

歷史上，天文學(xué)家一直認(rèn)為不存在中等大小的黑洞。 然而，最新的一些證據(jù)給中型黑洞確實(shí)存在提供了依據(jù)，形成超大質(zhì)量黑洞的一種可能機(jī)制是緊湊星團(tuán)中恒星碰撞的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致極大質(zhì)量恒星的積累，然后坍縮形成中質(zhì)黑洞，然后下沉到星系的中心，再與中間質(zhì)量黑洞合并形成一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

       自始至終，黑洞這個(gè)概念雖然經(jīng)常被天文學(xué)家提到，并用來(lái)解釋我們觀測(cè)到的很多現(xiàn)象，但是歸根到底，這些都只是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的一個(gè)預(yù)言。雖然我們現(xiàn)在也用它來(lái)解釋各種各樣的現(xiàn)象。但是，在4月10日之前，這張照片公布之前，沒(méi)有一個(gè)天文學(xué)家直接觀測(cè)到真的有黑洞這個(gè)東西。你想要驗(yàn)證它就要看到它的圖像，哪怕剛剛公布出來(lái)的照片可能不是很清楚，只是影影約約看到一個(gè)模模糊糊的一團(tuán)黑，但是有這個(gè)圖形，對(duì)于天體物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這就是已經(jīng)非常大的突破了。對(duì)于黑洞理論的研究也已經(jīng)向前邁進(jìn)了一大步。從這個(gè)圖像里其實(shí)可以來(lái)檢驗(yàn)相對(duì)論在這么極端的情況下它的預(yù)言是不是對(duì)的。因此，這個(gè)黑洞照片意義十分重大。

本文中間黑洞的一部分內(nèi)容以及“事件視界”的定義取材于美國(guó)宇航局NASA官網(wǎng)。