你好，黑洞！

2019年4月10日，黑洞，這個神秘的天體終于和大家見面了。“視界望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope，以下簡稱“EHT”）團(tuán)隊(duì)，宣布捕捉到了M87星系中心特大質(zhì)量黑洞圖像，終于讓人們一睹黑洞的“芳容”，但必須實(shí)事求是地說，首張黑洞照片只是我們認(rèn)識黑洞的小小一步。

現(xiàn)代天體物理中的黑洞，源自愛因斯坦廣義相對論的推論，揭示了物理學(xué)中的極限。它是宇宙中最致密的天體，強(qiáng)大的引力讓光都無法從黑洞視界中逃逸。黑洞也是最能激發(fā)人類好奇心和想象力的東西。比如人接近黑洞會怎么樣？理論告訴我們，他們會被拉伸、壓縮，經(jīng)歷“面條化”。

然而在黑洞的照片之前，我們見到的所謂黑洞的圖片，都是經(jīng)過藝術(shù)處理的圖片。沒有哪位天文學(xué)家真正見過黑洞，我們得到了一些間接的證據(jù)，“聽到”了一些聲音，這些聲音是數(shù)十億年前黑洞碰撞產(chǎn)生的時(shí)空的漣漪——引力波。為什么黑洞這么難被發(fā)現(xiàn)，它又如何被確定存在？來看看科學(xué)家都發(fā)現(xiàn)了什么。

黑洞如何形成

認(rèn)定黑洞的存在經(jīng)過了科學(xué)史上漫長而曲折的過程，從18世紀(jì)提出的“暗星”，到廣義相對論引力場方程的精確解，又經(jīng)歷對恒星演化過程的研究，到了20世紀(jì)90年代，人們才看到了黑洞存在的間接證據(jù)。

目前公認(rèn)的恒星級質(zhì)量的黑洞是由大質(zhì)量恒星自身坍縮而形成的。當(dāng)恒星的核燃料耗盡，也就是恒星到達(dá)生命的盡頭時(shí)，它們會膨脹，失去質(zhì)量，然后冷卻形成白矮星。但是這些熾熱的天體中較大的，比如9到25倍太陽質(zhì)量的恒星，它們會隨著一場大爆炸——超新星爆發(fā)而坍縮成中子星。如果質(zhì)量再大一些，25個以上的太陽質(zhì)量，它們會進(jìn)而演化成黑洞。當(dāng)然，這些數(shù)字也不是絕對的，通常恒星質(zhì)量級別的黑洞在3到100個太陽質(zhì)量的區(qū)間。

超新星爆發(fā)會將恒星的物質(zhì)拋向太空，只留下核心。本來恒星可以通過自身的核聚變產(chǎn)生持續(xù)向外的推力，以平衡恒星自身質(zhì)量向內(nèi)的引力。但爆發(fā)后恒星的殘骸不會再提供推力，但自身巨大的引力還在，就只能向內(nèi)坍縮。當(dāng)它持續(xù)坍縮，半徑收縮到史瓦西半徑時(shí)，黑洞就誕生了。現(xiàn)在科學(xué)家認(rèn)為銀河系中存在著成千上萬個恒星質(zhì)量級的黑洞，確認(rèn)了20多個存在。

當(dāng)然，如果以質(zhì)量劃分，黑洞還有其他幾種類型，如超大質(zhì)量黑洞（數(shù)百萬倍太陽質(zhì)量）和微型黑洞（理論上小于太陽質(zhì)量）?？茖W(xué)家還不清楚超大質(zhì)量黑洞是如何形成的，他們推測是黑洞吸收了其附近的恒星和氣體云等逐漸長大而成。對于微小型黑洞，天文學(xué)家認(rèn)為可能是在大爆炸后的早期混沌宇宙中形成的。

為什么此前看不見

看不見黑洞，并不完全因?yàn)樗恰昂凇钡摹Ｔ诖酥?，我們?shí)際上能夠觀察到的黑洞，是視界以外的部分。黑洞的質(zhì)量幾乎都集中于最中心的“奇點(diǎn)”處，但仍有一個臨界半徑“視界面”，我們能看到視界面外的物質(zhì)。但真正讓我們看不到它的原因是，即使是超大質(zhì)量黑洞，對我們來說也太小了！按《自然》雜志的說法，要一臺比哈勃強(qiáng)大1000倍的望遠(yuǎn)鏡才能觀測它。

比如這次EHT團(tuán)隊(duì)觀察銀河系中心的人馬座A*（SgrA*）的質(zhì)量相當(dāng)于400萬個太陽，它的視界面直徑約為2400萬公里，相當(dāng)于17個太陽大小，然而它距離我們有2.5萬光年遠(yuǎn)，實(shí)際對我們來說非常微小。有很多比喻來形容這一距離，比如中科院國家天文臺茍利軍研究員在科普文章中形容，“就像我們站在地球上觀看一枚放在月球表面的橙子”。

另一方面，由于黑洞的強(qiáng)大引力，它往往被其他明亮的物質(zhì)包圍，這使得我們很難看到黑洞本身。這就是為什么在尋找黑洞時(shí)，天文學(xué)家通常不會嘗試直接觀測，他們要尋找黑洞存在的間接證據(jù)，比如黑洞對其周圍天體的作用和影響。

天文學(xué)家還能通過黑洞周圍的吸積盤和發(fā)出的噴流而確定它的存在。當(dāng)物質(zhì)被黑洞吸收時(shí)，會沿著螺旋狀的軌道靠近黑洞，從而形成一個圓盤狀的吸積盤。在被吸入黑洞的同時(shí)，它們還會沿著旋轉(zhuǎn)軸的方向噴出高能粒子，也就是噴流。這些高強(qiáng)度的輻射能被地球上的望遠(yuǎn)鏡捕獲到，從而認(rèn)定黑洞的存在。

黑洞的間接證據(jù)一：X射線

1999年，美國國家航空航天局發(fā)射了三顆衛(wèi)星，它們組成了錢德拉塞卡X射線天文臺。這是以著名的美籍印裔物理學(xué)家錢德拉塞卡命名的望遠(yuǎn)鏡，專門觀測不同天體發(fā)出的X射線。對于黑洞存在的最好證據(jù)就來自這里。

在黑洞的引力下，吸積盤內(nèi)物質(zhì)落入黑洞的速度極快，物質(zhì)之間的摩擦使它被加熱至數(shù)十億度的高溫，從而發(fā)出輻射，這些輻射就包括有X射線。如果黑洞吸收的物質(zhì)過多，噴流也會出現(xiàn)爆發(fā)。天文學(xué)家把這一個過程形象地稱為“打嗝”——就像黑洞進(jìn)食過程中打了一個嗝。

錢德拉塞卡天文臺記錄了一次著名的打嗝。兩個距離我們大約2600萬光年的星系NGC5195和渦狀星系NGC5194，爆發(fā)出了強(qiáng)烈的X射線。這是一對著名的交互作用星系，天體物理學(xué)家認(rèn)為這次X射線爆發(fā)來自里面巨大的黑洞。

最近的研究顯示，在銀河系中心的大黑洞周圍，還擁有著甚至超過20000個較小的黑洞。一組研究人員發(fā)現(xiàn)了銀河系中心3光年范圍內(nèi)存在十幾個黑洞的證據(jù)。下面也是一個X射線圖像，他們用藍(lán)色的圓圈來表示黑洞。

黑洞只有在“吞噬食物”時(shí)才會釋放強(qiáng)烈的X射線，但“捕捉”它們非常不容易。黑洞一般來說很難偵測到，即使是像銀河系中心的黑洞，它的吸積盤也非常暗淡，能記錄一下它的爆發(fā)并不容易。除了X射線，還有一些其他方法能證明它的存在，比如射電波。

黑洞的間接證據(jù)二：

噴流，比星系本身還長

這張來自哈勃望遠(yuǎn)鏡和甚大射電望遠(yuǎn)鏡（VLA）數(shù)據(jù)合成的圖片，顯示了來自20億光年外，有銀河系質(zhì)量1000倍大小的武仙座A黑洞爆發(fā)出的噴流。這個看似普通的明亮星系卻有一個25億太陽質(zhì)量的黑洞，科學(xué)家通過VLA看到了它爆發(fā)出的噴流。噴流實(shí)際是非常高能的等離子束，只能通過射電望遠(yuǎn)鏡觀察到它的信號。其爆發(fā)出的單邊距離就達(dá)150萬光年，相比之下星系本身在光學(xué)成像下就顯得十分渺小。