湖北省丹江口市石鼓鎮(zhèn)中學(xué) 王 兵

2019 年，30 多位各國科學(xué)家利用全球各地的8 臺射電望遠鏡，歷時4 年拍攝并“沖洗”的世界上第一張黑洞照片終于被公之于眾。這張室女座超巨橢圓星系M87 中心的超大質(zhì)量黑洞照片看起來非常模糊和夢幻，但卻更加激起了大家對黑洞的好奇。

世界上第一張黑洞照片

黑洞的形成

黑洞是現(xiàn)代廣義相對論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種天體。在很多科幻小說或電影里，人們可以通過黑洞來穿越時空或進行星際旅行。那黑洞究竟是從何而來的呢？

據(jù)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的黑洞形成的原因可能并不相同。例如恒星質(zhì)量的黑洞，也就是大概三到幾十個太陽質(zhì)量的黑洞，它的產(chǎn)生過程大致是這樣的：恒星死亡的時候，其中間的鐵質(zhì)核心會發(fā)生引力坍縮；引力坍縮到一定程度的時候，引力勢能釋放會引發(fā)爆炸；爆炸的沖擊波在向外擴張的時候，引力坍縮仍在繼續(xù)，坍縮產(chǎn)生的引力強過爆炸力之后，又將其產(chǎn)生的能量、物質(zhì)統(tǒng)統(tǒng)都吸引回來，于是便形成了黑洞。大致上可以說是由于超新星爆炸失敗，產(chǎn)生了恒星質(zhì)量的黑洞。

另外一種超大質(zhì)量黑洞，是指百萬倍太陽質(zhì)量以上的黑洞，它們一般都位于星系靠近中間的位置。目前主流觀點認為，銀河系的中間就可能存在一個超大質(zhì)量黑洞?？茖W(xué)家認為超大質(zhì)量黑洞在初生的時候可能并沒有那么大，而是在漫長的時間里不斷吸入星系里的氣體、恒星等周圍物質(zhì)，才逐漸“長”成那么大的。

還有一種中等質(zhì)量黑洞，也是科學(xué)家一直在尋找的黑洞，被認為是黑洞演化理論中重要的“缺失環(huán)節(jié)”。著名科學(xué)家霍金還提出過一種量子黑洞，也叫微型黑洞。據(jù)他推測，量子黑洞會發(fā)出一種熱輻射，也叫黑洞輻射或霍金輻射。但遺憾的是，霍金輻射目前并沒有被實際觀測到。

黑洞的存在

我們普通人大概只知道黑洞的引力非常大，任何經(jīng)過它附近的物質(zhì)都會被吸進去，就連光也不例外。但是，黑洞并不是我們認為的一個洞的概念，而是一種密度無限大、體積無限小的奇異天體。那我們是如何發(fā)現(xiàn)黑洞的呢？

絕大多數(shù)天文愛好者都認為黑洞的發(fā)現(xiàn)是在愛因斯坦提出廣義相對論之后。但其實早在18 世紀晚期，英國科學(xué)家約翰·米歇爾就提出了“暗星”的概念。他所假設(shè)的關(guān)于“暗星”的各種特性，事實證明已經(jīng)非常接近于我們現(xiàn)在所說的黑洞。

然而在當(dāng)時，人們無法理解沒有質(zhì)量的光和引力之間是如何產(chǎn)生作用的，所以沒人相信約翰·米歇爾的猜測。直到愛因斯坦的廣義相對論發(fā)表之后，人們經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)了第一個黑洞。因此，科學(xué)家把廣義相對論看作是黑洞存在的理論基礎(chǔ)。

1915 年，愛因斯坦的廣義相對論的引力場方程式發(fā)布兩個月之后，德國科學(xué)家卡爾·史瓦西計算出了這個方程中的一個精確解，也就是我們所說的“黑洞的史瓦西半徑”。在這個半徑內(nèi)，所有的物質(zhì)都向著位于黑洞中心的奇點坍塌。所以，黑洞這個無法被人類直接觀測的天體，首先是被數(shù)學(xué)家通過理論公式計算出來的。

黑洞的發(fā)現(xiàn)

就連光都無法逃脫黑洞的引力，因此我們也就無法在光學(xué)上觀測黑洞。那我們?nèi)绾握业胶诙茨兀?/p>

在著名科幻電影《星際穿越》中，我們看到卡岡圖雅黑洞周圍有一圈非常明亮的光環(huán)。而在現(xiàn)實中，由于黑洞產(chǎn)生的引力效應(yīng)，也確實會在它的周圍聚集大量的星際物質(zhì)。這些繞黑洞高速運行的星際物質(zhì)被稱為吸積盤。吸積盤在旋轉(zhuǎn)的過程中一般都會產(chǎn)生大量的輻射，雖然這會影響我們對黑洞大小的判斷，但卻讓它變得光學(xué)可見。

卡岡圖雅黑洞

同時，由于黑洞本身的質(zhì)量和引力場都很大，科學(xué)家可以通過觀察黑洞對其周圍天體的牽引，來尋找由可見恒星和黑洞組成的雙星系統(tǒng)。那么，什么是雙星系統(tǒng)呢？科學(xué)家又是如何通過雙星系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)黑洞的呢？

雙星系統(tǒng)是指由兩顆恒星組成，相對于其他恒星來說，位置看起來非?？拷奶祗w系統(tǒng)。簡單地說，如果我們觀測到一顆恒星在繞著一個我們看不見的天體旋轉(zhuǎn)，我們就可以通過這顆恒星的旋轉(zhuǎn)周期來計算出這個看不見的天體的質(zhì)量。如果它的質(zhì)量非常大，大過幾個太陽的質(zhì)量，那我們基本就可以確定這就是一個黑洞。

有意思的是，在科學(xué)家還沒看到黑洞的本來面目時，卻先一步監(jiān)測到了它的“聲音”。2015 年9 月14 日，人類首 次 探測到大約13 億光年之外的兩個黑洞合并時發(fā)出的引力波信號。在這次雙黑洞合并中，一個36 倍太陽質(zhì)量的黑洞與一個29 倍太陽質(zhì)量的黑洞，合并成一個62 倍太陽質(zhì)量的黑洞，并輻射出3 倍太陽質(zhì)量的能量。這種巨大的能量以引力波的形式向外傳播，經(jīng)過13 億光年的跋涉到達了地球。

黑洞的里面

黑洞的里面究竟有什么？事實上這個問題現(xiàn)在還無法回答。因為還沒有飛行器或人類進去之后再出來。

科學(xué)家推測黑洞的中心是一顆密度超高的坍縮恒星內(nèi)核，內(nèi)核周圍是一個叫做“視界”的球面?！耙暯纭睂⒑诙春陀钪娴钠溆嗖糠忠环譃槎M入“視界”的東西可能永遠都無法出來。

但是，著名科學(xué)家霍金卻認為在“視界”層面上，常規(guī)的物理學(xué)定律不再適用。他推測，如果有一對粒子在黑洞的邊緣出現(xiàn)，其中一個粒子被黑洞吸進去了，而另外一個粒子則會被迫成為宇宙中一個實際存在的粒子。因此，它必須從黑洞里吸取能量。

按照霍金的這種設(shè)想，黑洞會隨著時間的流逝，慢慢地減少質(zhì)量，最終會徹底蒸發(fā)。同時，霍金還認為黑洞是有出口的，就算被吸進去也出得來，但出口可能通往另一個宇宙。

對于霍金的觀點，大多數(shù)科學(xué)家都認為，在沒有制造出實驗方法之前，它也不過是一家之言。實際上，從米歇爾最初提出“暗星”的概念，到我們監(jiān)測到黑洞的“聲音”，科學(xué)家關(guān)于黑洞的爭論就一直沒有停止過。