初識黑洞

黑洞這個(gè)概念的提出可以回溯到1783年，威廉·赫歇爾的朋友米歇爾提出了一個(gè)“設(shè)想”，如果一顆恒星具有足夠大的質(zhì)量和極高密度，它的引力場會非常強(qiáng)大，任何從恒星表面發(fā)出的光還沒到達(dá)遠(yuǎn)處，就會被恒星的引力場全部拉回。從它那里發(fā)出的光不會到達(dá)地球，我們也就看不到它，米歇爾稱其為“暗星”。這跟我們現(xiàn)在說的黑洞非常接近了。黑洞就是這樣的天體，它的引力如此之大，以至于光都無法逃脫它的吸引。

▲有質(zhì)量的物體對空間的扭曲（圖片來源：激光干涉引力波天文臺）

米歇爾提出“暗星”概念后100多年，1916年史瓦西計(jì)算出黑洞的視界半徑（也稱為史瓦西半徑），它與質(zhì)量有關(guān)。比如與地球質(zhì)量相當(dāng)?shù)暮诙吹氖吠呶靼霃街挥?毫米，如果把地球壓縮成半徑9毫米以內(nèi)的球，地球也可以成為一個(gè)黑洞。

能被觀測到的黑洞不會“默不作聲”，它會和周圍的物體、環(huán)境發(fā)生相互作用，向外發(fā)出信息。如果我們對黑洞有一定了解，就可以通過這些信息知道它在哪里，它長什么樣子。

一個(gè)正在吞噬伴星物質(zhì)的黑洞的引力很強(qiáng)，在其勢力范圍內(nèi)，天體的塵埃、氣體都會被它吸引。這些被吸引的物質(zhì)盤旋在黑洞的周圍，形成一個(gè)扁平的明亮的吸積盤，最終進(jìn)入黑洞內(nèi)部。進(jìn)入黑洞的物質(zhì)被撕碎，形成垂直于吸積盤平面的噴流。

▲正在吞噬伴星的黑洞

雖然我們不能直接“看見”黑洞，但是可以利用黑洞對周圍時(shí)空的影響、吸積盤、噴流等現(xiàn)象間接發(fā)現(xiàn)它的存在。大致來說，尋找黑洞的手段有4種，分別為X射線、引力波、伴星運(yùn)動和引力透鏡效應(yīng)。

尋找黑洞之旅

X射線

X射線是一種波長很短的電磁輻射。黑洞在吸引密近伴星物質(zhì)的時(shí)候會噴射出高能量X射線和伽瑪射線。黑洞研究歷史上著名的天鵝座X-1就是一個(gè)超強(qiáng)X射線源。

天鵝座X-1位于天鵝座方向的雙星系統(tǒng)，距離地球約7240光年，由一顆致密星（主星）和藍(lán)超巨星（伴星）組成（藍(lán)超巨星是恒星的一種）。在X射線波段下觀測，藍(lán)超巨星不見了，一個(gè)巨大的吸積盤顯現(xiàn)出來，中心很明亮，表明那里的X射線很強(qiáng)。

20世紀(jì)70年代，霍金和索恩打了一個(gè)賭，關(guān)于這個(gè)致密天體是中子星還是黑洞，霍金認(rèn)為是中子星，索恩認(rèn)為是黑洞。后來的觀測表明，該致密天體的質(zhì)量相當(dāng)于太陽質(zhì)量的21倍，而中子星的最大質(zhì)量不會超過太陽質(zhì)量的3倍。其結(jié)果就是，霍金輸了。到了20世紀(jì)90年代，越來越多的證據(jù)證明這就是一個(gè)黑洞。

引力波

愛因斯坦根據(jù)廣義相對論預(yù)言了引力波的存在，近百年后，2015年9月14日美國的LIGO成功探測到了引力波信號，這是人類首次觀測到引力波信號，它來自兩個(gè)恒星級質(zhì)量黑洞的合并事件。兩個(gè)相距幾十千米的黑洞（質(zhì)量分別為太陽質(zhì)量的36倍和29倍）相互旋轉(zhuǎn)，速度越來越快，靠得越來越近，最終碰到一起，合并后質(zhì)量為太陽質(zhì)量的62倍。在兩個(gè)黑洞相互纏繞旋轉(zhuǎn)的過程中，攪動起時(shí)空的漣漪，巨大的能量通過引力波向四周傳播。三位美國科學(xué)家因此獲得2017年的諾貝爾物理學(xué)獎。

▲2017年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者

伴星運(yùn)動

黑洞本身并不發(fā)光，我們無法“看見”黑洞本身，但是黑洞強(qiáng)大的引力會影響周圍天體的運(yùn)動，目前探測到的恒星級質(zhì)量黑洞都是擁有伴星的黑洞。

科學(xué)家們在長期觀測銀河系恒星運(yùn)動時(shí)，發(fā)現(xiàn)銀河系中央?yún)^(qū)域的恒星軌道都繞開了一個(gè)區(qū)域，那里有一個(gè)神秘的且看不見的天體牽引著恒星圍繞它運(yùn)動。他們猜測，這個(gè)神秘的天體就是黑洞。2020年諾貝爾物理學(xué)獎的一半就授予了發(fā)現(xiàn)銀河系中心超大質(zhì)量致密天體的兩位科學(xué)家根策爾和蓋茲。計(jì)算推測，銀河系的中心的這個(gè)黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于400萬個(gè)太陽質(zhì)量。2022年，事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織還給銀河系中心黑洞人馬座A*（Sgr A*）拍了照片。

科學(xué)家們在幾十個(gè)河外星系的中心都發(fā)現(xiàn)了超大質(zhì)量黑洞，在超大質(zhì)量黑洞周圍，恒星們繞著它運(yùn)動，通過恒星們運(yùn)行的軌跡可以推知黑洞的大小。超大質(zhì)量黑洞動輒有百萬個(gè)太陽質(zhì)量那么大，它不可能來自恒星的死亡，它的形成至今還是一個(gè)謎。

引力透鏡效應(yīng)

黑洞雖然神秘，但還是會露出一些“蛛絲馬跡”。它牽引伴星圍繞它運(yùn)動，我們觀測伴星運(yùn)動可以找到它；它吸食伴星物質(zhì)放出X射線等電磁輻射，這些輻射會被各種波段的望遠(yuǎn)鏡等探測器探測到；兩個(gè)黑洞合并前激起的引力波會被引力波探測器捕捉到；受扭曲時(shí)空影響的光的路徑，同樣會暴露它的位置，比如引力透鏡效應(yīng)。

▲圖 由于引力透鏡效應(yīng)，背景星系形成多個(gè)像

最早發(fā)現(xiàn)引力透鏡效應(yīng)的是在美國亞利桑那州基特峰國立天文臺工作的科學(xué)家們，他們用口徑2.1米的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測到了“兩”個(gè)靠得很近的類星體（QSO0957+561A和QSO0957+561B），二者視角相距只有6秒。這“兩”個(gè)類星體的光譜、射電流密度都非常相似，最后科學(xué)家們確認(rèn)這“兩”個(gè)類星體其實(shí)是由一個(gè)實(shí)體產(chǎn)生的兩個(gè)虛像。

目前科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)引力透鏡，引力透鏡一個(gè)很重要的作用是能幫助我們窺視宇宙的更深處，看到更遙遠(yuǎn)的天體。理論上，任何天體都會扭曲周圍的時(shí)空形成引力透鏡，但只有當(dāng)“引力透鏡”扭曲能力足夠強(qiáng)大，并且后面正好有可被觀測的發(fā)光天體的時(shí)候，才能通過引力透鏡效應(yīng)發(fā)現(xiàn)黑洞。

如何給黑洞拍照？

我們已經(jīng)介紹了4個(gè)間接尋找黑洞的方法，有沒有可能直接給黑洞拍一張照片呢？科學(xué)家們已經(jīng)想到了，2019年事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織發(fā)布了人類歷史上第一張真實(shí)的黑洞圖像，這一張圖像是由8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列聯(lián)合拍攝的。

▲圖 事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列模擬出地球直徑大小的望遠(yuǎn)鏡，給黑洞拍照

事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織的這8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列分布于全球6個(gè)地方，分別是位于南極的南極望遠(yuǎn)鏡（SPT）；位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣（ALMA）和阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡（APEX）；位于墨西哥的大型毫米波望遠(yuǎn)鏡（LMT）；位于美國亞利桑那州的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（SMT）；位于美國夏威夷州的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT）和亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（SMA）；位于西班牙的30米毫米波望遠(yuǎn)鏡（PV）。

這8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列模擬出一臺口徑跟地球直徑一樣大的望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，分辨率就越高，據(jù)說事件視界望遠(yuǎn)鏡的分辨率相當(dāng)于可以在我國北端的漠河清晰識別出南沙群島上的一張報(bào)紙的標(biāo)題字號。

被拍攝對象是M87星系（河外星系）中心的超大質(zhì)量黑洞，距我們大約5400萬光年。為什么不拍攝離我們更近的銀河系中心的黑洞呢？那也是超大質(zhì)量黑洞呀。原因有兩點(diǎn)，一是，M87星系中心的黑洞活躍度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于銀河系中心的黑洞，黑洞越活躍，它的吸積盤就越明亮，就更容易被觀測到。二是，M87星系中心的黑洞質(zhì)量更大，是銀河系中心黑洞質(zhì)量的1500多倍，雖然它離我們更遠(yuǎn)，但在地球上看來，這兩個(gè)黑洞看起來都差不多大。綜合考慮下來，就選擇了更加容易觀測的M87星系中心超大質(zhì)量黑洞作為拍攝對象。

M87黑洞的拍攝展現(xiàn)了全球合作研究的新范式。2017年，8臺射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)連線觀測，拍攝搜集的數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，共計(jì)5000萬億字節(jié)，存儲這些數(shù)據(jù)的硬盤足足有半噸重。如此龐大的數(shù)據(jù)，依靠網(wǎng)絡(luò)傳輸會是一個(gè)非常漫長的過程，實(shí)際上是通過空運(yùn)將存儲數(shù)據(jù)的硬盤送到研究所。處理這些數(shù)據(jù)最后將其拼接成照片花費(fèi)了兩年的時(shí)間。終于，2019年4月10日全球多地同時(shí)發(fā)布了這張來自不易的黑洞寫真照片（如下圖左上角所示），照片一發(fā)布，萬眾矚目，有人說它像蜂窩煤球，有人說它像貓眼，有人說它像一個(gè)“甜甜圈”?？梢哉f，第一張黑洞照片是天文學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、算法科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜遗f(xié)作的結(jié)果。

▲圖 事件視界望遠(yuǎn)鏡和它拍攝的黑洞照片

2021年3月，事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織又發(fā)布了一張照片——M87超大質(zhì)量黑洞的偏振光照片（如圖左下角所示），比起兩年前的照片，這張照片多了一些螺旋紋路，形似“曲奇”。新的“曲奇”與2019年的“甜甜圈”來自同一次成像觀測，只是處理偏振圖像花費(fèi)的時(shí)間更長。黑洞的偏振圖像包含了更多的信息，有助于科學(xué)家們更深入地理解黑洞周圍的物理環(huán)境。

黑洞的強(qiáng)大引力不但吸引著周圍的物質(zhì)，也吸引著人類的好奇心。2022年5月事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織發(fā)布了銀河系中心的黑洞Sgr A*的首張照片。接下來，事件視界望遠(yuǎn)鏡的鏡頭又將對準(zhǔn)哪里呢？

評論有禮

黑洞內(nèi)部的時(shí)空是什么樣子的？超大質(zhì)量黑洞來自哪里？原初黑洞存在嗎？黑洞的盡頭是什么？評論區(qū)分享你的看法，留言點(diǎn)贊前3位將獲得《宇宙探秘歷險(xiǎn)記 地球上的挑戰(zhàn)》一本！

書名：宇宙探秘歷險(xiǎn)記 地球上的挑戰(zhàn)

?♂? 作者：墨子沙龍

內(nèi)容簡介

本書圖文并茂，通過小酷、甜甜、阿亮三位主人公的探險(xiǎn)經(jīng)歷，介紹了宇宙誕生的故事。書中通過一系列有趣的游戲和挑戰(zhàn)、三位主人公的學(xué)習(xí)日記、知識小課堂，向讀者介紹了流星雨、隕石等天文現(xiàn)象，闡釋了望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展歷史及其觀測原理。隨著游戲和挑戰(zhàn)的層層推進(jìn)，讀者還將跟隨伽利略的腳步，領(lǐng)略月球的神秘與木星的衛(wèi)星奇觀，并一窺宇宙的浩瀚無垠。此外，書中還介紹了黑洞這一宇宙最神秘的天體，通過深入淺出的講解，揭示了黑洞的奧秘與觀測方法。本書非常適合熱愛科學(xué)的青少年閱讀。