作者：SHAO科學(xué)傳播團隊（中國科學(xué)院上海天文臺）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

——

黑洞是個既陌生又熟悉的話題。它經(jīng)常出現(xiàn)在科幻作品中，被描述成擁有著吸塵器般巨大吸引力、而且隱身的貪婪怪獸。前幾年火遍大江南北的《星際穿越》展現(xiàn)了一個穿著發(fā)光腰帶的黑洞——卡岡圖雅。讓大家不禁疑惑，黑洞周圍原來也能發(fā)光？

?

卡岡圖雅

昨天（北京時間2019年11月28日）凌晨，國際頂尖科學(xué)期刊《自然》在線發(fā)布了我國天文學(xué)家主導(dǎo)的一項重大發(fā)現(xiàn)。中國科學(xué)院國家天文臺劉繼峰研究員、張昊彤研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級黑洞。這個重大進展恐怕也刷爆了大家的朋友圈。

那么，黑洞究竟是什么？黑洞是黑的嗎？我們?nèi)绾巍翱础钡胶诙茨兀?/p>

一旦進了“洞”，誰都別想出來

最簡單的黑洞模型是不帶電也不轉(zhuǎn)動的黑洞。這個模型源自1916年德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西通過求解愛因斯坦引力場方程得到的一個精確解，該模型也因此得名史瓦西黑洞模型。

?

史瓦西 （圖片來源：維基）

在這個模型中，黑洞中心是奇點，奇點是個時空被無限彎曲的區(qū)域，那里密度無限大；黑洞的形成使時空由視界分成了兩部分——視界內(nèi)和視界外。物質(zhì)和光可以從視界外進入視界內(nèi)，反之不行。這是因為在黑洞的視界內(nèi)，引力很強，以至于連光都無法逃離。如果連光也出不來，那里面就是黑的，這也是它得名“黑洞”的主要原因。

?

視界 （圖片來源：維基）

?

重要-視界半徑整體效果 （圖片來源：維基）

視界就像是現(xiàn)實生活中的地平線。視界以內(nèi)就像是地平線以下，是我們無法看到的地方；視界以外就像是地平線以上。我們能看到視界之外，卻無法看到視界之內(nèi)。而視界的大?。ㄒ暯缑娴狡纥c的距離）主要取決于黑洞的一個重要參數(shù)——質(zhì)量。

?

致密天體的質(zhì)量范圍 （圖片來源：NASA）

要完整描述一個黑洞，就只需要知道三個參量：質(zhì)量，相當(dāng)于有多重；電荷，帶不帶電，帶正電還是負電，帶多少電；角動量，指黑洞是否轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的能力和方向如何。知道了它們?nèi)齻€參量，便知道了一切。這就是“黑洞無毛定理”。在中國，因為有著著名的漫畫角色“三毛”，我們又稱無毛定理為三毛定理。

在角動量和電荷參量相同的情況下，黑洞質(zhì)量越大，視界就越大；質(zhì)量越小，視界就越小。如果把我們的太陽壓縮到直徑3千米那么大，太陽內(nèi)的物質(zhì)將不斷收縮塌陷，直至被擠壓到奇點處，成為一個黑洞。

相較于史瓦西模型，宇宙中的黑洞很可能是轉(zhuǎn)動的、有質(zhì)量的黑洞，但大多黑洞是不帶電的。

根據(jù)質(zhì)量，天文學(xué)家們將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級質(zhì)量黑洞、中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞。恒星級質(zhì)量黑洞，幾倍-幾百倍太陽質(zhì)量；超大質(zhì)量黑洞，幾百萬倍太陽質(zhì)量以上；而中等質(zhì)量黑洞，質(zhì)量位于兩者之間。

?

超大質(zhì)量黑洞 （圖片制作：李兆聿，上海天文臺，背景圖片來源：NASA和Misti Mountain Observatory）

目前普遍認為，恒星級質(zhì)量黑洞，是大質(zhì)量恒星演化到晚期，發(fā)生超新星爆炸之后留下的殘骸。而超大質(zhì)量黑洞，是更小質(zhì)量的黑洞發(fā)生并合以及吞噬物質(zhì)形成的。

要想“看到”黑洞，其實也沒那么容易

?

首張黑洞照片M81（圖片來源：EHT）

北京時間2019年4月10日，全球多地協(xié)調(diào)召開發(fā)布會，發(fā)布了人類的首張黑洞照片，提供了黑洞的首個直接視覺證據(jù)。在這次拍照前，主要有三類代表性證據(jù)可以證明黑洞的存在：

1. 恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力，對周圍的恒星、氣體會產(chǎn)生影響，可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。

?

第一次探測到的引力波信號GW150914 （圖片來源：LIGO）

2. 根據(jù)黑洞吸積物質(zhì)（科學(xué)家們把這個過程比喻成“吃東西”）發(fā)出的光來判斷黑洞的存在。在黑洞強引力的作用下，周圍的氣體向黑洞下落，在距離黑洞幾倍到幾萬倍視界的地方形成一個發(fā)光的腰帶——吸積盤。以超大質(zhì)量黑洞為例，如果把黑洞的吸積盤區(qū)域比作一個黃豆，普通星系就相當(dāng)于一個身高5萬米的巨人，雖說黃豆般大小的活躍黑洞比巨人般的星系小千萬倍，但每秒鐘發(fā)出的能量卻要強很多。這種小尺寸、大能量的性質(zhì)使我們推斷它很可能是黑洞。

3. 通過探測到黑洞成長的過程探測黑洞。LIGO探測的五次引力波都對應(yīng)了恒星級質(zhì)量黑洞的并合事件，見證了更小的黑洞借助并合成長為更大黑洞的過程。這類引力波的發(fā)現(xiàn)，也是我們推斷黑洞存在的證據(jù)之一。

探索黑洞，也是為了更好地探索宇宙

天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，至少在近鄰星系中，黑洞質(zhì)量越大，它所居住的星系也具有更大質(zhì)量的核球，核球中恒星的速度彌散也更大。這一現(xiàn)象預(yù)示了黑洞和星系像是約好一般進行協(xié)同演化。通過觀測數(shù)據(jù)，再綜合理論研究、計算機模擬，就能幫助回答黑洞的成長問題、黑洞與宿主星系的關(guān)系。

?

黑洞質(zhì)量和寄主星系核球質(zhì)量之間的關(guān)系 （圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

宇宙早期的黑洞發(fā)出的光要經(jīng)過漫漫長路，穿越星（系）際物質(zhì)時部分會被吸收。因此我們得到的光譜中有著眾多的吸收線，這些吸收線形成星際物質(zhì)留給我們的“腳印”，為我們研究宇宙中物質(zhì)分布和整體結(jié)構(gòu)提供了前所未有的幫助。

此外，還有一系列問題等著解決：黑洞種子是如何形成的，它具有多大的質(zhì)量？宇宙早期黑洞如何吞噬周圍的物質(zhì)？黑洞和它的寄主星系在宇宙早期為什么不是協(xié)同演化的？這些未知的謎團，均吸引著我們心向黑洞。

“探索天文”系列課是什么？

它是由中國科學(xué)院上海天文臺佘山科普教育基地出品的一套公益性天文課程。以天文學(xué)中大眾關(guān)注度最高、最有趣的話題為主題，讓專業(yè)的一線天文科研人員和科普專家從復(fù)雜的知識點中選取最有代表性的內(nèi)容，分別從天文望遠鏡、月球、太陽系、星系動物園、黑洞、星座這六個方面，多角度地、趣味性和知識性兼有地介紹天文學(xué)中的知識和研究方法等。

拓展閱讀：

約翰-皮爾?盧米涅.黑洞[M].湖南：湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2002

李宗偉，肖興華.天體物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2000

瑪西亞?巴楚沙.黑洞簡史[M].湖南：湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2017

講師簡介：

左文文，天體物理博士，上海天文臺副研究員，從事科研和科學(xué)傳播工作。研究方向主要包括類星體的光變、高紅移類星體的黑洞質(zhì)量測量、黑洞與寄主星系的共動演化、科學(xué)傳播。


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復(fù)【最新活動】，了解近期科普活動
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識
回復(fù)【博物學(xué)院】，了解更多博物學(xué)院活動詳情
?