作者：SHAO科學(xué)傳播團(tuán)隊(duì)（中國科學(xué)院上海天文臺(tái)）

文章來源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

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黑洞是個(gè)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(gè)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(shí)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(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。中國科學(xué)院國家天文臺(tái)劉繼峰研究員、張昊彤研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞。這個(gè)重大進(jìn)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(jìn)了“洞”，誰都別想出來

最簡(jiǎn)單的黑洞模型是不帶電也不轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞。這個(gè)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(chǎng)方程得到的一個(gè)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(gè)模型中，黑洞中心是奇點(diǎn)，奇點(diǎn)是個(gè)時(shí)空被無限彎曲的區(qū)域，那里密度無限大；黑洞的形成使時(shí)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(jìn)入視界內(nèi)，反之不行。這是因?yàn)樵诤诙吹囊暯鐑?nèi)，引力很強(qiáng)，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(shí)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(diǎn)的距離）主要取決于黑洞的一個(gè)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(gè)黑洞，就只需要知道三個(gè)參量：質(zhì)量，相當(dāng)于有多重；電荷，帶不帶電，帶正電還是負(fù)電，帶多少電；角動(dòng)量，指黑洞是否轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的能力和方向如何。知道了它們?nèi)齻€(gè)參量，便知道了一切。這就是“黑洞無毛定理”。在中國，因?yàn)橛兄穆嫿巧叭保覀冇址Q無毛定理為三毛定理。

在角動(dòng)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(diǎn)處，成為一個(gè)黑洞。

相較于史瓦西模型，宇宙中的黑洞很可能是轉(zhuǎn)動(dòng)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(jí)質(zhì)量黑洞、中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞。恒星級(jí)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(tái)，背景圖片來源：NASA和Misti Mountain Observatory）

目前普遍認(rèn)為，恒星級(jí)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(shí)也沒那么容易

首張黑洞照片M81（圖片來源：EHT）

北京時(shí)間2019年4月10日，全球多地協(xié)調(diào)召開發(fā)布會(huì)，發(fā)布了人類的首張黑洞照片，提供了黑洞的首個(gè)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(yùn)動(dòng)透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強(qiáng)引力，對(duì)周圍的恒星、氣體會(huì)產(chǎn)生影響，可以通過觀測(cè)這種影響來確認(rèn)黑洞的存在。

第一次探測(cè)到的引力波信號(hào)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(gè)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(qiáng)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(gè)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(gè)黃豆，普通星系就相當(dāng)于一個(gè)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(qiáng)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(cè)到黑洞成長(zhǎng)的過程探測(cè)黑洞。LIGO探測(cè)的五次引力波都對(duì)應(yīng)了恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的并合事件，見證了更小的黑洞借助并合成長(zhǎng)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(jìn)行協(xié)同演化。通過觀測(cè)數(shù)據(jù)，再綜合理論研究、計(jì)算機(jī)模擬，就能幫助回答黑洞的成長(zhǎng)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(zhǎng)路，穿越星（系）際物質(zhì)時(shí)部分會(huì)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(tuán)，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(tái)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(shí)點(diǎn)中選取最有代表性的內(nèi)容，分別從天文望遠(yuǎn)鏡、月球、太陽系、星系動(dòng)物園、黑洞、星座這六個(gè)方面，多角度地、趣味性和知識(shí)性兼有地介紹天文學(xué)中的知識(shí)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(jiǎn)史[M].湖南：湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2017

講師簡(jiǎn)介：

左文文，天體物理博士，上海天文臺(tái)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(cè)量、黑洞與寄主星系的共動(dòng)演化、科學(xué)傳播。


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