黑洞：你需要知道的一切

　　一个超大质量黑洞的艺术家插图。

漩涡状的橙色线条环绕着中间的黑色圆圈。

黑洞是太空中最迷人的物体之一。

(图片来源:solarseven via Getty Images)

　　据美国太空网（By Daisy Dobrijevic, Nola Taylor Tillman）：黑洞是太空中一些最奇怪也最迷人的物体。

它们密度极高，引力如此之大，以至于连光都无法逃脱它们的掌控。

　　银河系可能包含超过1亿个黑洞，尽管探测这些贪吃的野兽非常困难。

银河系的中心有一个超大质量黑洞——人马座A*。

根据美国宇航局的一份声明，这个巨大的结构大约是太阳质量的400万倍，距离地球大约26，000光年。

　　2019年，视界望远镜(EHT)合作捕捉到了第一张黑洞图像。

距离地球5500万光年的M87星系中心的黑洞的惊人照片让全世界的科学家兴奋不已。

　　专家解答的黑洞常见问题

　　我们问了理论天体物理学家Priyamvada Natarajan一些关于黑洞的常见问题。

　　普里亚姆瓦达·纳塔拉詹理论天体物理学家耶鲁大学天文系主任约瑟夫. s .和索菲娅. s .弗鲁顿天文学教授和物理学教授。

　　黑洞是如何形成的？

　　黑洞预计通过两种不同的渠道形成。

根据第一种途径，它们是恒星尸体，所以它们是在大质量恒星死亡时形成的。

出生时质量大约是太阳质量的8到10倍以上的恒星，当它们耗尽所有的燃料——氢时，它们会爆炸并死亡，留下一个非常致密的物体，即黑洞。

留下的黑洞被称为恒星质量黑洞，其质量是太阳质量的几倍。

　　不是所有的恒星都会留下黑洞，出生质量较低的恒星会留下中子星或白矮星。

黑洞形成的另一种方式是气体的直接坍缩，这一过程预计会产生更多质量更大的黑洞，质量从太阳质量的1000倍到太阳质量的10万倍不等。

这个通道绕过了传统恒星的形成，被认为在宇宙早期运行，产生了更多的大质量黑洞种子。

　　谁发现了黑洞？

　　黑洞被预言为爱因斯坦方程的精确数学解。

爱因斯坦的方程式描述了物质周围的空间形状。

广义相对论将几何或形状与物质的详细分布联系起来。

　　卡尔·史瓦西在1915年发现了黑洞的解决方案，这些区域——黑洞——被发现会极大地扭曲空间，并在时空结构中产生一个穿孔。

当时还不清楚这些是否对应于宇宙中的真实物体。

随着时间的推移，随着恒星死亡的其他最终产物被探测到，也就是被视为脉冲星的中子星，黑洞是真实存在的，并且应该存在，这一点变得越来越清楚。

第一个被探测到的黑洞是天鹅座-X1。

　　黑洞会死吗？

　　黑洞本身不会死亡，但理论上预计它们最终会在极长的时间尺度内慢慢蒸发。

　　黑洞是通过附近被巨大引力吸引的物质的增长而成长的。

霍金预测，黑洞也可以辐射出能量，并非常缓慢地收缩。

量子理论表明，虚粒子无时无刻不在出现和消失。

当这种情况发生时，一个粒子和它的同伴反粒子出现了。

然而，它们也可以重组并再次消失。

当这个过程发生在黑洞视界附近时，奇怪的事情就会发生。

而不是粒子反粒子对存在一会儿，然后互相湮灭，其中一个可以通过重力进入黑洞，而另一个粒子可以飞向太空。

在很长的时间尺度上，我们谈论的时间尺度比我们宇宙的年龄长得多，理论表明这种逃逸粒子的涓涓细流将导致黑洞慢慢蒸发。

　　黑洞是虫洞吗？

　　不，黑洞不是虫洞。

虫洞可以被认为是连接时空两个分离点的隧道。

据信，黑洞的内部可能包含一个虫洞，这个洞就是时空，它可能提供一个通往时空中另一点的入口，甚至可能在一个不同的宇宙中。

　　首次发现黑洞

　　阿尔伯特·爱因斯坦在1916年用他的广义相对论首次预言了黑洞的存在。

多年以后，美国天文学家约翰·惠勒在1967年创造了“黑洞”这个术语。

几十年来黑洞只被认为是理论上的物体。

　　第一个被发现的黑洞是天鹅座X-1，位于银河系内的天鹅座。

根据美国宇航局的说法，天文学家在1964年发现了黑洞的第一个迹象，当时一枚探测火箭探测到了X射线的天体来源。

1971年，天文学家确定X射线来自一颗明亮的蓝星，它围绕着一个奇怪的黑暗物体运行。

有人认为，探测到的X射线是恒星物质被明亮的恒星剥离并被黑暗物体“吞噬”的结果，黑暗物体是一个吞噬一切的黑洞。

　　有多少黑洞？

　　一张深空影像显示，在影像中心有一个微弱的蓝色X射线源，表明人马座A*的存在。

银河系中心存在一个超大质量黑洞人马座A* (Sgr A*)。

(图片来源:NASA/UMass/D.Wang等人，IR: NASA/STScI)

　　根据太空望远镜科学研究所(STScI)的数据，每一千颗恒星中大约有一颗质量足以成为黑洞。

由于银河系包含超过1000亿个统计数据，我们的家庭星系一定隐藏着大约1亿个黑洞。

　　虽然探测黑洞是一项艰巨的任务，但美国宇航局的估计表明，银河系中可能有多达1000万到10亿个恒星黑洞。

　　距离地球最近的黑洞被称为“独角兽”，大约位于1500光年之外。

这个昵称有双重含义。

黑洞候选体不仅位于麒麟星座(“独角兽”)，其难以置信的低质量——大约是太阳的三倍——使它几乎是独一无二的。

　　黑洞图像

　　围绕黑色圆圈的橙色发光环。

事件视界望远镜是一个由八个地面射电望远镜组成的行星级阵列，通过国际合作打造，捕捉到了这张M87星系中心超大质量黑洞及其阴影的图像。

(图片鸣谢:EHT协作)

　　2019年，视界望远镜(EHT)合作发布了有史以来第一张记录黑洞的图像。

EHT在M87星系中心看到了黑洞，当时望远镜正在检查活动视界或任何东西都无法逃离黑洞的区域。

该图像描绘了光子(光粒子)的突然损失。

这也打开了黑洞研究的一个全新领域，现在天文学家知道了黑洞的样子。

　　2021年，天文学家展示了M87中心巨型黑洞的新视图，展示了这个巨大结构在偏振光下的样子。

由于偏振光波与非偏振光相比具有不同的方向和亮度，新图像显示了黑洞的更多细节。

极化是磁场的一个特征，这幅图像清楚地表明黑洞的环被磁化了。

　　橙色发光环，周围是黑色圆圈，内部有光线。

继2019年第一张黑洞图像发布后，天文学家捕捉到了黑洞的新偏振视图。

(图片鸣谢:EHT协作)

　　2022年5月，科学家们展示了银河系中心超大质量黑洞的历史首张图像——速腾A*。

　　黑洞是什么样子的？

　　黑洞有三个“层”:外部和内部事件视界，以及奇点。

　　黑洞的视界是黑洞口周围的边界，光不能越过它。

一旦一个粒子穿过视界，它就不能离开。

引力在整个视界中是不变的。

　　物体质量所在的黑洞内部区域被称为奇点，即黑洞质量集中的时空单点。

　　科学家们不能像观察眼冒金星和太空中的其他物体那样观察黑洞。

相反，天文学家必须依靠探测黑洞在尘埃和气体被吸入致密生物时发出的辐射。

但是，位于星系中心的超大质量黑洞可能会被周围厚厚的尘埃和气体所覆盖，从而阻止泄露信号的发射。

　　有时，当物质被吸向黑洞时，它会从视界反弹出去，并被抛出去，而不是被拖入黑洞。

明亮的物质喷流以接近相对论的速度行进。

虽然黑洞仍然看不见，但这些强大的喷流可以从很远的地方看到。

　　EHT的M87黑洞图像(2019年发布)是一项非凡的努力，即使在图像拍摄后也需要两年的研究。

这是因为遍布全球许多天文台的望远镜合作产生了惊人的数据量，这些数据量太大，无法通过互联网传输。

　　随着时间的推移，研究人员希望对其他黑洞进行成像，并建立一个关于这些物体外观的知识库。

下一个目标很可能是人马座A*，它是我们银河系中心的黑洞。

2019年的一项研究报告称，人马座A*非常有趣，因为它比预期的更安静，这可能是因为磁场抑制了它的活动。

那年的另一项研究表明，人马座A*周围有一个冷气体晕，这让人们对黑洞周围的环境有了前所未有的了解。

　　图示显示了黑洞的各个层次，包括吸积盘、事件视界、相对论喷流、奇点、光子球和最内部的稳定轨道。

ESO的黑洞解剖图显示了黑洞的样子，并标明了不同的组成部分。

(图片鸣谢:ESO)

　　黑洞的类型

　　到目前为止，天文学家已经确定了三种类型的黑洞:恒星黑洞、超大质量黑洞和中间黑洞。

　　恒星黑洞——虽小却致命

　　当一颗恒星燃尽最后一点燃料时，这个物体可能会坍缩，或者坠入自身。

对于较小的恒星(质量达到太阳的三倍左右)，新的核心将成为中子星或白矮星。

但是当一颗更大的恒星坍缩时，它会继续压缩并产生一个恒星黑洞。

　　由单个恒星坍塌形成的黑洞相对较小，但密度惊人。

其中一个天体的直径是太阳质量的三倍多。

这导致了一个疯狂的引力吸引着物体周围的物体。

恒星黑洞然后消耗来自周围星系的尘埃和气体，这使它们的尺寸不断增长。

　　超大质量黑洞——巨人的诞生

　　小型黑洞遍布宇宙，但它们的近亲超大质量黑洞占据主导地位。

这些巨大的黑洞的质量是太阳的数百万倍甚至数十亿倍，但直径却几乎相同。

这种黑洞被认为位于几乎每个星系的中心，包括银河系。

　　科学家不确定如此大的黑洞是如何产生的。

一旦这些巨行星形成，它们就会从周围的尘埃和气体中聚集质量，这些物质在星系的中心非常丰富，这使得它们可以增长到更大的尺寸。

　　超大质量黑洞可能是成百上千个微小黑洞合并的结果。

大型气体云也可能是原因之一，它们一起坍塌并迅速增大质量。

第三种选择是星团的崩溃，一群恒星一起坠落。

第四，超大质量黑洞可能来自大团暗物质。

这是一种我们可以通过它对其他物体的引力作用来观察的物质；然而，我们不知道暗物质是由什么组成的，因为它不发光，无法直接观察到。

　　中间黑洞

　　科学家们曾经认为黑洞只有小和大两种尺寸，但研究揭示了中型或中间黑洞(IMBHs)存在的可能性。

当星团中的恒星以连锁反应碰撞时，就可能形成这样的天体。

在同一个区域形成的几个IMBHs最终可能会一起坠落在星系中心，形成一个超大质量黑洞。

　　2014年，天文学家在一个螺旋星系的臂中发现了一个似乎是中等质量的黑洞。

2021年，天文学家利用一次古老的伽马射线爆发探测到了一个。

　　“天文学家一直在努力寻找这些中等大小的黑洞，”该研究的合着者，英国杜伦大学的蒂姆·罗伯茨在一份声明中说。

“有迹象表明它们的存在，但IMBHs一直表现得像一个失散多年的亲戚，对被找到不感兴趣。

”

　　2018年的研究表明，这些IMBHs可能存在于矮星系(或非常小的星系)的中心。

对10个这样的星系(其中五个在最近的调查之前是未知的)的观察揭示了X射线活动——在黑洞中很常见——表明存在36，000到316，000太阳质量的黑洞。

这些信息来自斯隆数字巡天，它检查了大约100万个星系，可以检测到经常观察到的来自黑洞的光，这些黑洞正在收集附近的碎片。

　　二元黑洞:双重麻烦

　　图解显示了一个巨大的黑色圆形空洞-一个超大质量黑洞，左边有一个较小的黑色圆圈-一个伴星黑洞。

一个超大质量黑洞和一个环绕它运行的伴黑洞的艺术家插图。

(图片来源:加州理工学院IPAC分校)

　　2015年，天文学家利用激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到来自恒星黑洞合并的引力波。

　　“我们进一步证实了大于20个太阳质量的恒星质量黑洞的存在——在LIGO探测到它们之前，我们不知道这些物体的存在，”LIGO科学合作组织(LSC)的发言人舒德伟在一份声明中说。

LIGO的观察也提供了对黑洞旋转方向的洞察。

当两个黑洞互相环绕时，它们可以同向或反向旋转。

　　关于二元黑洞是如何形成的，有两种理论。

第一种说法认为，这两个黑洞在大约同一时间以双星的形式出现，它们来自两颗诞生在一起并在大约同一时间爆炸死亡的恒星。

伴星会有相同的自旋方向，所以留下的两个黑洞也会如此。

　　在第二个模型中，恒星团中的黑洞下沉到星团的中心并配对。

根据LIGO科学合作组织的说法，这些同伴相互之间会有随机的自旋方向。

LIGO对具有不同自旋取向的伴黑洞的观察为这一形成理论提供了更有力的证据。

　　“我们开始收集关于二元黑洞系统的真实数据，”加州理工学院的LIGO科学家Keita Kawabe说，他在LIGO汉福德天文台工作。

“这很有趣，因为即使是现在，一些黑洞双星形成的模型也比其他模型更受青睐，在未来，我们可以进一步缩小范围。

”

　　黑洞事实

　　1.如果你掉进一个黑洞，理论一直认为重力会像意大利面条一样把你拉长，尽管你会在到达奇点之前死亡。

但2012年发表在《自然》杂志上的一项研究表明，量子效应会导致事件视界像一堵火墙一样，会立即将你烧死。

　　2.黑洞不吸。

吸力是由把东西拉进真空引起的，而大质量黑洞肯定不是。

相反，物体会像它们向任何施加重力的物体(比如地球)坠落一样落入其中。

　　3.第一个被认为是黑洞的物体是天鹅座X-1。

天鹅座X-1是1974年斯蒂芬·霍金和他的物理学家同事基普·索恩友好打赌的主题，霍金打赌该源不是黑洞。

1990年，霍金承认失败。

　　4.微型黑洞可能在大爆炸后立即形成。

快速膨胀的空间可能已经将一些区域挤压成微小、致密的黑洞，其质量不及太阳。

　　5.如果一颗恒星离黑洞太近，它就会被撕裂。

　　6.天文学家估计，银河系有1000万到10亿个恒星黑洞，质量大约是太阳的三倍。

　　7.黑洞仍然是科幻书籍和电影的绝佳素材。

看看电影《星际穿越》吧，它在很大程度上依赖索恩将科学融入其中。

索恩与电影特效团队的合作使科学家们更好地理解了当在快速旋转的黑洞附近观察时，遥远的恒星可能会出现的情况。