簡介：關(guān)于黑洞的介紹。

一個畫家是這樣描繪天鵝座X-1星系的：一個有著恒星質(zhì)量的黑洞與一顆距離地球7200光年的伴星一起繞軌道運行。（圖片來源：國際射電天文學研究中心）

黑洞是宇宙中引力巨大，連光都無法逃脫的區(qū)域。黑洞不是一個空的空間，而是一個被宇宙中的物質(zhì)塞滿的一個小小塞孔。

誰發(fā)現(xiàn)了黑洞？

物理學家卡爾·史瓦西爾德在1916年偶然間發(fā)現(xiàn)了黑洞，那時的他正在進行針對愛因斯坦廣義相對論解決方案的研究。他試圖找到解決單個對稱物質(zhì)球體引力的方法——例如太陽是銀河系的中心。但是這個辦法有個特征，即在一個特定半徑下表現(xiàn)異常，如今稱為史瓦西爾德半徑。

很快他就意識到為什么這個半徑很特殊。如果將物體的質(zhì)量壓縮到小于該半徑的空間中，它的引力會比所有已知力量都大，而且任何物質(zhì)都無法從這里出去。早期科學家稱這種情況永遠都不會出現(xiàn)。但在二十世紀三十年代，印度科學家蘇布拉曼揚·錢德拉塞卡得出了在一定密度以上，沒有力可以壓倒重力的理論，這也證實了宇宙中的確會有黑洞的存在。然而，黑洞只能在這種低端的條件下形成。

黑洞是如何形成的？

恒星的核心內(nèi)部發(fā)生核聚變的動力使其能產(chǎn)生光和熱，在那里兩個輕質(zhì)原子融合在一起形成一個較重的原子，這個過程釋放出了能量。那些較重的原子又相互融合成更重的原子，這個過程一直持續(xù)從而保證這顆恒星可以散發(fā)出光和熱。

在融合的過程中，兩個或更多的粒子碰撞而形成更大的產(chǎn)物。在這幅圖中，氘和氚結(jié)合在一起使氦與中子一起發(fā)射，這就是恒星產(chǎn)生能量的方式。（圖片來源：馬克·加里克/科學照相館/蓋蒂）

因此，當臨近生命終結(jié)的恒星質(zhì)量超過我們太陽質(zhì)量的八倍時，它們不斷在核心部分聚集像硅和鎂這種質(zhì)量越來越高的物質(zhì)。實際上這些物質(zhì)正在形成鐵。問題是，融合鐵需要的能量比反應產(chǎn)生的能量還要多，另外在這種情況下，什么都不可以抵消掉恒星自身質(zhì)量的內(nèi)向引力。緊接著這顆極重的恒星就自身坍塌了。在整個極其沉重的重力作用下，恒星的核心被擠壓到史瓦西爾德半徑之外，黑洞就形成了。

由于沒有任何已知力量可以阻止這個坍塌，一旦恒星變成了黑洞它就會一直向下擠壓直至形成一個奇點——也就是一個無限密度的點。圍繞著奇點的是黑洞表面，這是一個無形的球形邊界，也標志了黑洞的入口。一旦有東西接近黑洞表面，它就絕不可能逃開。如果想要逃脫開，它就必須比光速還要快，但由于沒有任何物體的移動速度超過光速，因此，它指定成為黑洞的“盤中餐”

比太陽質(zhì)量高出數(shù)百萬倍的超大黑洞靠著吞噬周邊的星體，加上與其他黑洞合并，在億萬年前就有所形成了。

黑洞內(nèi)部發(fā)生了什么？

黑洞內(nèi)部絕不是什么都不存在。在黑洞內(nèi)部，人們會發(fā)現(xiàn)極大的重量都壓低到一個無限小的點，那個奇點的引力就無可避免的會承擔所有的重量。如同科羅拉多大學博爾德分校和美國國家標準與技術(shù)研究所的聯(lián)合研究所闡明：無論你面朝哪個方向，無論你費多大力想逃脫，最終你一定會在有限時間內(nèi)抵達那個奇點。

物理學家們無法得知在黑洞的奇點中都發(fā)生了什么，在這個如此極端的環(huán)境下，我們目前所有的物理知識都無法解釋。

科學家們?nèi)绾蔚弥诙词钦鎸嵈嬖诘模?/p>

盡管科學家們?nèi)鄙賹诙磧?nèi)部狀態(tài)的認知，但他們證明了黑洞是真實存在的。美國宇航局稱，最早證實黑洞的存在的證據(jù)就是天鵝座X-1，那是距我們約6,000光年的X射線的亮源。對該星系的觀測顯示出一個小而密度高的黑暗伴星，也就是黑洞，他將繞軌運行的大氣變成漏斗形狀。天文學家無法觀測到黑洞的本體，但是當氣體降到黑洞表面時時，它的溫度會升高并以X射線的形式發(fā)出能量。

天鵝座X-1黑洞正在將一顆龐大的藍色伴星的物質(zhì)吸進它內(nèi)部，這些物質(zhì)在黑洞周圍形成了吸積盤。（圖片來源：美國宇航局）

黑洞有多大？

天鵝座X-１的黑洞約為太陽質(zhì)量的２０倍，是整個宇宙中典型的黑洞質(zhì)量。根據(jù)美國宇航局的報道，科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了銀河系中的１千萬到十億顆黑洞。已知距離我們最近的黑洞就是天鵝座X-１，它潛伏在距離我們６０００光年遠的位置上（當然還有據(jù)我們１０００光年的黑洞未被證實）

但在銀河系的中心——也在大多數(shù)星系的中心位置——存在著怪物一般的超大質(zhì)量黑洞。超大質(zhì)量黑洞是太陽質(zhì)量的大約數(shù)百萬倍，有的甚至是太陽質(zhì)量的數(shù)千億倍。這種有著驚人質(zhì)量的黑洞已經(jīng)靠著吸收周圍物質(zhì)、與其他黑洞合并而存在大約億萬年之久了。

（圖解：在左邊，一團發(fā)光的氫氣呈現(xiàn)黃色。在右邊，藍色的光是銀河系中心一個正在成長的超大質(zhì)量黑洞。）

圖源：X射線（美國航天局/CXC/達勒姆大學/亞歷山大等）；光學(NASA/ESA/STScI/IoA/S.Chapman萊蒙-阿爾法光學公司（ NAOJ /斯巴魯/東北大學/ T . Hayashino 等）；紅外線公司（ NASA / JP L -加州理工學院/達勒姆大學/ J . Geach 等）

黑洞看起來是什么樣子的？

第一張黑洞的照片顯示在黑洞的外圍有著一圈黃色的光環(huán)。

下圖就是第一張黑洞的照片：（圖片來源：事件視界望遠鏡協(xié)作）

黑洞就如同它的名字，它的內(nèi)部是黑色的，發(fā)射不出任何光源。但是天文學家們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^黑洞對于其他物質(zhì)的引力作用，以及它們混亂的吸收任何物質(zhì)的習慣來觀測到它們。

由于黑洞產(chǎn)生的類星體，天文學家們能夠看到它們，尤其是超大質(zhì)量黑洞。類星體是非常強烈的無線電放射源。當物體掉落到黑洞表面，它會在天鵝座X-1的增強版中逐漸被擠壓和加熱。美國宇航局稱，黑洞周圍物質(zhì)形成的吸積盤比整個宿主星系都亮，并且能夠?qū)⒔咏馑俚臉O熱粒子發(fā)射到數(shù)萬光年以外。

（圖解：該藝術(shù)家展示了一個以超大質(zhì)量黑洞為核心的星系。 黑洞正在射出無線電波。圖源：美國宇航局/ JPL-Caltech）

另一種能夠觀測到黑洞的方法就要等到兩個黑洞合并的時候了。當兩個黑洞碰撞在一起時，它們會產(chǎn)生引力波。這些波紋極其脆弱，但是在地球上的敏感儀器還是能夠感知到。迄今為止，天文學家已經(jīng)見證了50個黑洞合并的過程。

實際上，黑洞真實的“照片”拍攝于2019年，當天文學家用事件視界望遠鏡——一個遍布世界的網(wǎng)絡(luò)——拍攝這張在M87 *黑洞周圍旋轉(zhuǎn)著的明亮的吸積盤圖像時，《生命科學》正在做報道。M87 *黑洞比太陽重30億倍，位于距我們50，000，000多光年的星系中，在圖片中它看起來像一個扭曲的橙子味的甜甜圈。由于天文學家不可能拍攝到黑洞自身的照片（因為沒有光可以逸出），因此他們看到的是它的“影子”，也就是圍繞著它的發(fā)光物質(zhì)中的洞。

假如你掉進了黑洞會怎樣？

我們應該慶幸距離我們最近的黑洞在數(shù)千光年之外。從遠處看，黑洞表現(xiàn)得就像宇宙中任何其他大型物質(zhì)一樣。事實上，如果把我們的太陽用同質(zhì)量的黑洞來代替，地球的運行軌道當然也會維持不變（即使所有的植物都會死掉，但這又是另一個問題了）。但是在這個黑洞附近，極其強大的引力會在你到達黑洞表面之前，把你從頭到腳拉成一條細長的粒子鏈，我們可以將這個狀態(tài)優(yōu)雅的稱為“意大利面條化”。

BY: Paul Sutter

FY: 裴昕玥_Pepper

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