在星系NGC 4261的黑洞核心想象圖

你可能聽人說過，“我的桌子變成了一個(gè)黑洞！”你可能在電視上看過天文學(xué)節(jié)目，或者在雜志上讀過關(guān)于黑洞的文章。自從1915年愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言了這些奇異的物體之后，我們就對它們產(chǎn)生了濃厚的興趣。

黑洞是什么？他們真的存在嗎？我們怎樣才能找到它們呢？在本文中，我們將研究黑洞并回答所有這些問題！

黑洞是什么？

黑洞的藝術(shù)想象圖：箭頭顯示黑洞開口內(nèi)和開口周圍的物體運(yùn)動路徑

當(dāng)一顆大質(zhì)量的恒星死去時(shí)，剩下的就是黑洞。

你如果知道恒星是如何工作的，那么你肯定知道明亮的恒星是一個(gè)巨大的，令人驚異的聚變反應(yīng)堆。因?yàn)楹阈鞘侨绱司薮蟛⒂蓺怏w組成，所以有一個(gè)強(qiáng)烈的引力場總是試圖坍縮恒星。在核心發(fā)生的聚變反應(yīng)就像一顆巨大的聚變炸彈，試圖引爆恒星。引力和爆炸力之間的平衡決定了恒星的大小。

隨著恒星的死亡，核聚變反應(yīng)停止，因?yàn)檫@些反應(yīng)的燃料被燒掉了。與此同時(shí)，恒星的引力將物質(zhì)吸入并壓縮核心。當(dāng)核心壓縮時(shí)，它會升溫，最終產(chǎn)生超新星爆炸，物質(zhì)和輻射會爆炸到太空中。剩下的是高度壓縮的、極其巨大的內(nèi)核。內(nèi)核的引力非常大，連光都無法逃脫。

這個(gè)物體現(xiàn)在就是一個(gè)黑洞，它會從我們視野中消失。由于內(nèi)核的引力非常強(qiáng)大，所以就會在時(shí)空結(jié)構(gòu)中下沉，在時(shí)空中形成一個(gè)洞——這就是為什么這個(gè)物體被稱為黑洞。

核心變成了黑洞的中心部分，稱為奇異點(diǎn)。這個(gè)洞的開口叫做視界。

你可以把視界想象成黑洞的入口。一旦某物越過視界，它就永遠(yuǎn)消失了。一旦進(jìn)入視界，所有的“事件”(時(shí)空中的點(diǎn))停止，沒有任何東西(甚至是光)可以逃脫。視界的半徑被稱為史瓦西半徑，以天文學(xué)家卡爾·史瓦西命名，他的工作導(dǎo)致了黑洞理論。

知識鏈接：光無法逃離的物體(如黑洞)的概念最初是由皮埃爾·西蒙·拉普拉斯在1795年提出的。根據(jù)牛頓的引力理論，拉普拉斯計(jì)算出，如果一個(gè)物體被壓縮到足夠小的半徑內(nèi)，那么這個(gè)物體的逃逸速度將比光速還快。

黑洞的類型有哪些？

克爾黑洞結(jié)構(gòu)

克爾黑洞結(jié)構(gòu)圖：紅色是事件視界，而蛋形區(qū)域則是能層（旋轉(zhuǎn)黑洞的視界與無限紅移面之間的區(qū)域，進(jìn)入其中的物質(zhì)逃出時(shí)可以獲得能量 ）。

黑洞有兩種類型：

• 史瓦西黑洞

  ——非旋轉(zhuǎn)黑洞

• 克爾黑洞

  ——旋轉(zhuǎn)黑洞

史瓦西黑洞是最簡單的黑洞，核心不旋轉(zhuǎn)。這種類型的黑洞只有一個(gè)奇異點(diǎn)和一個(gè)視界。

克爾黑洞可能是自然界中最常見的形式，它之所以旋轉(zhuǎn)是因?yàn)樾纬伤暮阈鞘切D(zhuǎn)的。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的恒星坍縮時(shí)，核心繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并將其帶入黑洞(角動量守恒)?？藸柡诙从幸韵聨讉€(gè)部分：

• 奇點(diǎn)

  ——坍塌的巖心。

• 視界

  ——洞的開口

• 能層

  ——視界周圍扭曲空間的蛋形區(qū)域（扭曲是由黑洞旋轉(zhuǎn)引起的，黑洞旋轉(zhuǎn)會“拖曳”周圍的空間）。

• 靜力極限

  ——二球體與正?？臻g之間的邊界。

如果一個(gè)物體進(jìn)入能層，它仍然可以通過從黑洞的旋轉(zhuǎn)中獲得能量而從黑洞中噴射出來。

然而，如果一個(gè)物體穿過視界，它就會被吸入黑洞而永遠(yuǎn)無法逃脫。黑洞內(nèi)部發(fā)生了什么是未知的；即使我們目前的物理理論也不適用于奇點(diǎn)附近。

雖然我們看不到黑洞，但它確實(shí)有三種屬性可以或可以測量：

• 質(zhì)量

• 電荷

• 旋轉(zhuǎn)速度(角動量)

到目前為止，我們只能通過其他物體在黑洞周圍的運(yùn)動來可靠地測量黑洞的質(zhì)量。如果一個(gè)黑洞有一個(gè)伴星(另一顆恒星或物質(zhì)的圓盤)，它就有可能測量這個(gè)看不見的黑洞周圍物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)半徑或軌道速度。黑洞的質(zhì)量可以用開普勒修正的行星運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的第三定律來計(jì)算。

我們?nèi)绾翁綔y黑洞

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測的星系NGC 4261的核心

雖然我們看不到黑洞，但我們可以通過測量黑洞對周圍物體的影響來探測或猜測黑洞的存在?？梢允褂靡韵滦?yīng)：

• 來自黑洞或螺旋進(jìn)入核心的物體的質(zhì)量估計(jì)

• 引力透鏡效應(yīng)

• 發(fā)出輻射

質(zhì)量

許多黑洞周圍都有物體，通過觀察物體的行為，你可以發(fā)現(xiàn)黑洞的存在。然后，你利用對可疑黑洞周圍物體運(yùn)動的測量來計(jì)算黑洞的質(zhì)量。

你要找的是一顆恒星或一盤氣體，它的行為就好像附近有一個(gè)巨大的質(zhì)量。例如，如果一個(gè)可見的恒星或盤狀的氣體“搖擺不定”運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)，沒有明顯導(dǎo)致這種運(yùn)動的原因或者有看不見的東西施加了影響，似乎是由一個(gè)物體的質(zhì)量大于三個(gè)太陽質(zhì)量中子星(太大)，那么有可能是黑洞是導(dǎo)致運(yùn)動。然后通過觀察黑洞對可見物體的影響來估計(jì)黑洞的質(zhì)量。

例如，在NGC 4261星系的核心，有一個(gè)棕色的螺旋狀圓盤正在旋轉(zhuǎn)。這個(gè)圓盤和我們的太陽系差不多大，但重量是太陽的12億倍。對于一個(gè)圓盤來說，如此巨大的質(zhì)量可能表明圓盤中存在一個(gè)黑洞。

引力透鏡

愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言重力可以彎曲空間。這一點(diǎn)后來在日食期間得到證實(shí)，當(dāng)時(shí)是在日食發(fā)生前、期間和之后測量恒星的位置。由于太陽的引力使恒星發(fā)出的光彎曲，所以恒星的位置發(fā)生了變化。因此，一個(gè)在地球和一個(gè)遙遠(yuǎn)的物體之間有著巨大重力的物體(像一個(gè)星系或黑洞)可以將來自遙遠(yuǎn)物體的光彎曲成一個(gè)焦點(diǎn)，就像透鏡一樣。這種效果可以在下面的圖片中看到。

這些圖片顯示了MACHO-96-BL5從地面望遠(yuǎn)鏡(左)和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(右)上的亮度

在上圖中，MACHO-96-BL5的亮度在重力透鏡從它和地球之間經(jīng)過時(shí)開始變亮。當(dāng)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀察這個(gè)物體時(shí)，它看到兩個(gè)物體的圖像靠在一起，這表明存在引力透鏡效應(yīng)。中間的物體是看不見的。因此，我們得出的結(jié)論是，在地球和物體之間存在著一個(gè)黑洞。

發(fā)出輻射

雙星系統(tǒng)中黑洞的示意圖，顯示了黑洞周圍的吸積盤和x射線的發(fā)射

當(dāng)物質(zhì)從伴星落入黑洞時(shí)，它會被加熱到數(shù)百萬開爾文并加速。這些過熱的材料發(fā)出x射線，x射線望遠(yuǎn)鏡可以探測到這些x射線，如錢德拉x射線軌道天文臺。

天鵝座X-1是一個(gè)強(qiáng)x射線源，被認(rèn)為是一個(gè)黑洞的好候選者。如上圖所示，來自伴星HDE 226868的恒星風(fēng)將物質(zhì)吹到黑洞周圍的吸積盤上。當(dāng)這種物質(zhì)落入黑洞時(shí)，它會釋放x射線，如圖所示:

從錢德拉x射線天文臺軌道拍攝的天鵝座X-1的x射線圖像

除了x射線，黑洞還可以高速噴射物質(zhì)形成噴射流。許多星系都被這樣的噴流觀測到。目前，人們認(rèn)為這些星系的中心有超大質(zhì)量的黑洞(數(shù)十億的太陽質(zhì)量)產(chǎn)生噴射和強(qiáng)烈的無線電發(fā)射。一個(gè)這樣的例子是M87星系，如下所示:

活動星系核的示意圖，其中心有一個(gè)特大質(zhì)量黑洞

左邊和下面的圖像是基于地面的M87星系中心的無線光鏡圖像。右邊的圖像是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的可見圖像。注意來自M87的物質(zhì)噴射。

重要的是要記住，黑洞不是宇宙真空吸塵器——它們不會吞噬一切。因此，雖然我們看不到黑洞，但有間接證據(jù)表明它們存在。它們與時(shí)間旅行和蟲洞有關(guān)，在宇宙中仍然是迷人的物體。